JP2007088442A - Piezoelectric element, liquid ejection head employing it, and liquid ejector - Google Patents

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Katsumi Aoki
活水 青木
Kenichi Takeda
憲一 武田
Toshihiro Ifuku
俊博 伊福
Katayoshi Matsuda
堅義 松田
Hiroshi Funakubo
浩 舟窪
Shintaro Yokoyama
信太郎 横山
Masaru Okamoto
賢 岡本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric suitable as a piezoelectric actuator excellent in displacement ability, efficiency and use durability and especially applicable to a transverse oscillation mode piezoelectric actuator suitable for micromachining. <P>SOLUTION: The piezoelectric element comprises a piezoelectric, and a pair of electrodes touching the piezoelectric wherein the piezoelectric constants d<SB>33</SB>and d<SB>31</SB>of the piezoelectric satisfy relation (I); 0.1≤¾d<SB>33</SB>/d<SB>31</SB>¾≤1.8 (I). <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド、および液体吐出装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric element, a liquid discharge head using the same, and a liquid discharge apparatus.

圧電体素子は、圧電現象すなわち、圧電材料に応力を加えた時に電界が生じる圧電効果、または、圧電材料に電界を加えた時に応力が生じる逆圧電効果、を利用した機能素子である。   The piezoelectric element is a functional element utilizing a piezoelectric phenomenon, that is, a piezoelectric effect in which an electric field is generated when a stress is applied to the piezoelectric material, or a reverse piezoelectric effect in which a stress is generated when an electric field is applied to the piezoelectric material.

圧電効果を利用した素子としては、圧電点火素子や、加速度センサ素子、ジャイロ角速度センサ素子、歪みゲージ素子等に持いられている。また逆圧電効果を利用した素子としては、超音波振動素子、スピーカ、SPM(Scanning Prove Microscope)のステージなどの精密駆動素子などに利用されている。さらに、近年では、インクジェットヘッドの吐出駆動素子、さらにはMEMSなどの駆動素子などに利用されている。   As an element using the piezoelectric effect, a piezoelectric ignition element, an acceleration sensor element, a gyro angular velocity sensor element, a strain gauge element or the like is used. In addition, as an element using the inverse piezoelectric effect, it is used for a precision driving element such as an ultrasonic vibration element, a speaker, and a stage of a scanning probe microscope (SPM). Furthermore, in recent years, it has been used for ejection drive elements of inkjet heads, and further, drive elements such as MEMS.

逆圧電効果を利用し、微細精密駆動させる機能を持たせた圧電体素子については、電界を加えた方向に対する、圧電体素子が逆圧電効果により生じた歪み・応力を取り出す方向で大きく2つに分類することができる。   For piezoelectric elements that use the inverse piezoelectric effect and have the function of fine precision driving, the piezoelectric element is roughly divided into two in the direction of taking out strain and stress generated by the inverse piezoelectric effect with respect to the direction in which the electric field is applied. Can be classified.

まず、電界を加えた方向に対して平行方向(d33方向)の歪み・応力(縦効果)を利用するd33モード型もしくは縦振動モード型である。それに対して電界を加えた方向に対して垂直平面方向(d31方向)の歪み・応力(縦効果)を利用するd31モード型もしくは横振動モード型である。また電界を加えた方向に対してせん断方向(d15方向)の歪み・応力を利用する場合もあるが、その主に取り出す歪み方向によって横振動モード型、縦振動モード型に分けることができる。 First, a d 33 mode type or a longitudinal vibration mode type utilizing strain-stress (longitudinal effect) parallel to the direction in which the addition of the electric field direction (d 33 direction). On the other hand, it is a d 31 mode type or a transverse vibration mode type that uses strain / stress (longitudinal effect) in the vertical plane direction (d 31 direction) with respect to the direction in which the electric field is applied. There is also the case of using a strain-stress shear direction (d 15 direction) to the direction an electric field is applied, but can be divided by the strain direction to take out the predominantly transverse vibration mode type, the longitudinal vibration mode type.

ここで、縦振動モード、特にd33方向の歪み・応力を圧電アクチュエータに利用する場合、入力電界方向に対して圧電材料の入力電界方向に平行な方向の応力・歪による変位を利用することとなる。このときの変位量は、入力電界を加えた圧電材料の厚みに対して、圧電材料の特性から、多くても高々1%程度の変位量しか得ることが出来ない。したがって、より多くの変位量を得るためには、電界を加える方向の厚みを大きくする必要がある。しかしながら、厚みを大きくしたとき、圧電材料の性能通りの変位を得るためには、厚みに応じた強度の電界を加える必要が生じ、駆動電圧を大きくしなければならないという問題点がある。そこで、その問題を解決するため、変位取り出し方向と垂直な方向に圧電体を駆動電界を加えるための電極を挟んで積層し、駆動電圧を低く抑える構成が提案されている。 Here, the vertical vibration mode, especially when using the d 33 direction of the strain-stress to the piezoelectric actuator, taking advantage of displacement due to a direction parallel to the stress-strain with respect to the input electric field direction in the input electric field direction of the piezoelectric material and Become. The displacement amount at this time can only be obtained at most about 1% of the thickness of the piezoelectric material to which the input electric field is applied, due to the characteristics of the piezoelectric material. Therefore, in order to obtain a larger amount of displacement, it is necessary to increase the thickness in the direction in which the electric field is applied. However, when the thickness is increased, in order to obtain a displacement according to the performance of the piezoelectric material, it is necessary to apply an electric field having a strength corresponding to the thickness, and there is a problem that the drive voltage must be increased. Therefore, in order to solve the problem, a configuration has been proposed in which a piezoelectric body is stacked in a direction perpendicular to the displacement extraction direction with an electrode for applying a driving electric field interposed therebetween to suppress the driving voltage low.

一方、横振動モード、特にd31方向の歪み・応力を圧電アクチュエータに利用する場合、入力電界方向に対して圧電体の入力電界方向に垂直な面方向の応力・歪を利用することとなる。このとき、圧電体自身の変位量は、一般に縦振動モードのそれに比べてさらに小さなものとなる。しかしながら、d31モードの場合、圧電体素子を基板に拘束させることにより、圧電体が横振動モードで歪むことにより基板を曲げ、その結果、電界を加える方向の厚みが薄くても、大きな変位を取り出すことが可能である。かつ、電界を加える方向の厚みが薄いため、その駆動電圧を低く設定することが可能なことから、ベンディングモード型の構成の圧電アクチュエータが一般的に採用されている。 On the other hand, when the transverse vibration mode, in particular, the strain / stress in the d 31 direction is used for the piezoelectric actuator, the stress / strain in the plane direction perpendicular to the input electric field direction of the piezoelectric body is used with respect to the input electric field direction. At this time, the displacement amount of the piezoelectric body itself is generally smaller than that in the longitudinal vibration mode. However, in the d 31 mode, the substrate is bent by constraining the piezoelectric element to the substrate and the piezoelectric body is distorted in the transverse vibration mode. As a result, even if the thickness in the direction in which the electric field is applied is small, a large displacement is caused. It is possible to take it out. In addition, since the drive voltage can be set low because the thickness in the direction in which the electric field is applied is thin, a bending mode type piezoelectric actuator is generally employed.

これらの方式は、その圧電アクチュエータの用途に応じて、適宜選択される。   These methods are appropriately selected according to the use of the piezoelectric actuator.

しかしながら、近年微細な構造を有するMEMSの精密駆動源、高速・高画質が求められてきているインクジェット装置に適用できる高密度・多ノズル化インクジェットヘッドに適用する場合には、次のことが言える。すなわち、微細加工が可能な、薄膜成膜技術を用い駆動電源供給用電極を含む基板上に、直接合成できる圧電体が利用可能なd31モードの横振動モードを用いたベンディングモード型圧電アクチュエータを採用することが有効となってきている。 However, when applied to a high-density, multi-nozzle inkjet head that can be applied to a precision drive source of MEMS having a fine structure in recent years and an inkjet apparatus for which high speed and high image quality are required, the following can be said. In other words, a bending mode type piezoelectric actuator using a d 31 mode transverse vibration mode in which a piezoelectric material that can be directly synthesized on a substrate including a drive power supply electrode using a thin film deposition technique that can be finely processed can be used. Adoption has become effective.

ところが、薄膜成膜技術を用いて合成・成膜された圧電体は、駆動電源供給用電極を含む基板に拘束された状態で成膜されるため、その圧電特性はバルクセラミックスなどの圧電体と比較して充分な圧電特性とはならないという課題がある。   However, since a piezoelectric material synthesized and formed using thin film deposition technology is formed in a state of being constrained to a substrate including a drive power supply electrode, its piezoelectric characteristics are similar to that of a piezoelectric material such as bulk ceramics. There is a problem that the piezoelectric characteristics are not sufficient in comparison.

ここで、圧電定数d33及びd31の関係については、例えばバルクセラミックスにおいては、非特許文献1にZr/Ti比を振ったPZT(Pb(Zr,Ti)O3)の各組成毎のd33、d31が記載されている。その値をプロットしたグラフを図2に示す。図2中グラフ原点を通る直線はプロットされたデータを基に線形近似された直線であり、傾きd33/|d31|=2.5を示している。 Here, regarding the relationship between the piezoelectric constants d 33 and d 31 , for example, in bulk ceramics, dZ for each composition of PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) with a Zr / Ti ratio changed in Non-Patent Document 1. 33, d 31 is described. A graph plotting the values is shown in FIG. In FIG. 2, the straight line passing through the origin of the graph is a straight line that is linearly approximated based on the plotted data, and indicates a slope d 33 / | d 31 | = 2.5.

特許文献1においては、逆圧電効果・圧電効果を利用する水中用送受波器(ハイドロフォン)に好適な材料として、d31を実質上ゼロにすることで、静水圧下での圧電定数dh;
dh=d33+2×d31
を大きなものとする有機と無機を複合した、圧電体材料が提案されている。
In Patent Document 1, as a material suitable for an underwater transducer (hydrophone) using the inverse piezoelectric effect / piezoelectric effect, the piezoelectric constant dh under hydrostatic pressure is obtained by making d 31 substantially zero;
dh = d 33 + 2 × d 31
There has been proposed a piezoelectric material that combines organic and inorganic materials with a large thickness.

なお、d31決定は、ユニモルフ型カンチレバー方式を用いて行うことができる。このときの、入力電圧Vに対するユニモルフ型カンチレバーの変位量の関係が、非特許文献2に、その関係式の物性値は非特許文献3に記載されている。
特許第3256254号公報 セラミック誘電体工学Page334(岡崎 清著 学献社) J. G. Smith, W. Choi, The constituent equations of piezoelectric heterogeneous bimorph, IEEE trans. Ultrason. Ferro. Freq. Control 38 (1991)256-270. W.Cao, Full set Material Properties of Multi-Domain and Single-domain (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 and (1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 SingleCrystals and the Principle of Domain Engineering Method, Piezoelectric Single Crystals and Their Application(p236-256), Edited S. Trolier-Mckinstry, L. E. Cross,Y. Yamashita.
Incidentally, d 31 determination can be performed using a unimorph type cantilever method. The relationship between the displacement amount of the unimorph type cantilever and the input voltage V at this time is described in Non-Patent Document 2, and the physical property value of the relational expression is described in Non-Patent Document 3.
Japanese Patent No. 3256254 Ceramic Dielectric Engineering Page334 (written by Kiyoshi Okazaki) JG Smith, W. Choi, The constituent equations of piezoelectric heterogeneous bimorph, IEEE trans.Ultrason. Ferro. Freq. Control 38 (1991) 256-270. W.Cao, Full set Material Properties of Multi-Domain and Single-domain (1-x) Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3-xPbTiO3 and (1-x) Pb (Zn1 / 3Nb2 / 3) O3-xPbTiO3 SingleCrystals and the Principle of Domain Engineering Method, Piezoelectric Single Crystals and Their Application (p236-256), Edited S. Trolier-Mckinstry, LE Cross, Y. Yamashita.

本発明は、前記の通り、変位能、効率および使用耐久性に優れた圧電アクチュエータとして好適な圧電体を提供すること、特に微細構造加工に適した横振動モード圧電体アクチュエータに好適に使用可能な、圧電体を提供することを目的とする。   INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention provides a piezoelectric body suitable as a piezoelectric actuator excellent in displacement capability, efficiency, and usage durability, and can be suitably used in a lateral vibration mode piezoelectric actuator particularly suitable for fine structure processing. An object is to provide a piezoelectric body.

上記目的を達成させるため、本発明者らが種々の圧電材料を合成・成膜検討した結果、以下の発明に至った。   In order to achieve the above object, the present inventors have synthesized various piezoelectric materials and studied film formation, and as a result, the following inventions have been achieved.

上記目的は、圧電体と、該圧電体に接する一対の電極とを有する圧電体素子において、前記圧電体の圧電定数d33及びd31について、下記関係式(I);
0.1≦|d33/d31|≦1.8 (I)
を満たすことを特徴とする圧電体素子によって達成される。
The object is to provide a piezoelectric element having a piezoelectric body and a pair of electrodes in contact with the piezoelectric body, with respect to piezoelectric constants d 33 and d 31 of the piezoelectric body, the following relational expression (I)
0.1 ≦ | d 33 / d 31 | ≦ 1.8 (I)
This is achieved by a piezoelectric element characterized by satisfying

また、本発明は、前記の圧電体素子を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド、さらに前記の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置である。   In addition, the present invention is a liquid discharge head including the piezoelectric element, and a liquid discharge apparatus including the liquid discharge head.

本発明によれば、圧電体素子として変位能に優れ、d33方向の変位が少ないため、効率よくアクチュエータ変位を利用できる。さらに使用耐久性に優れた圧電体、特に、微細構造加工に適した横振動モード圧電体アクチュエータに好適に使用可能な圧電体を提供することができる。 According to the present invention, excellent displacement capability as the piezoelectric element, since d 33 direction of displacement is small, can be utilized efficiently actuator displacement. Furthermore, it is possible to provide a piezoelectric body excellent in use durability, particularly a piezoelectric body that can be suitably used for a transverse vibration mode piezoelectric actuator suitable for fine structure processing.

[圧電体素子]
本実施形態の横振動モードを利用する圧電体素子の構成について、図1を用いて説明する。
[Piezoelectric element]
A configuration of a piezoelectric element using the transverse vibration mode of the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態の圧電体素子は、圧電体と、該圧電体に接する一対の電極とを有する圧電体素子である。その機能面から構成を示すと、少なくとも、駆動電圧を供給するための二つの電極(上電極及び下電極)とその間に挟まれた圧電体とで構成される歪み・応力発生部を有している。さらに、その電極の一方(本明細書では便宜的に下電極とする)上に設けられた振動板で構成される振動板部と、を有している構成とすることもできる。   The piezoelectric element according to the present embodiment is a piezoelectric element having a piezoelectric body and a pair of electrodes in contact with the piezoelectric body. In terms of its functional aspect, it has at least a strain / stress generation part composed of two electrodes (upper electrode and lower electrode) for supplying a driving voltage and a piezoelectric body sandwiched between them. Yes. Furthermore, it can also be set as the structure which has a diaphragm part comprised with the diaphragm provided on one of the electrodes (it uses as a lower electrode for convenience in this specification).

図1(A−1)及び(A−2)は、圧電体の横振動モードを利用した圧電アクチュエータの一例であるユニモルフ型カンチレバー(片持ちばり)の基本構成を示した図である。(A−1)は側面図であり、(A−2)は上視図である。101は振動板、102は下電極、103は圧電体、104は上電極、105はカンチレバー固定部である。上下電極102及び104間に電圧を加えたとき、圧電体103が面方向に伸縮することで、カンチレバーの開放端が上下に振動運動する。このような圧電体素子(ユニモルフ型カンチレバー)は、例えば、光スキャナーのミラー駆動に利用される。   FIGS. 1A-1 and 1A-2 are diagrams illustrating a basic configuration of a unimorph type cantilever (cantilever) which is an example of a piezoelectric actuator using a transverse vibration mode of a piezoelectric body. (A-1) is a side view, and (A-2) is a top view. 101 is a diaphragm, 102 is a lower electrode, 103 is a piezoelectric body, 104 is an upper electrode, and 105 is a cantilever fixing portion. When a voltage is applied between the upper and lower electrodes 102 and 104, the piezoelectric body 103 expands and contracts in the surface direction, so that the open end of the cantilever vibrates up and down. Such a piezoelectric element (unimorph type cantilever) is used, for example, for driving a mirror of an optical scanner.

図1(B−1)及び(B−2)は、圧電体の横振動モードを利用した圧電アクチュエータの一例であるユニモルフ型アクチュエータの基本構成を示した図である。(B−1)は側面図であり、(B−2)は上視図である。111は振動板、112は下電極、113は圧電体、114は上電極、115はアクチュエータ保持基体である。上下電極112及び114間に電圧を加えたとき、圧電体113が面方向に伸縮することで、振動板111がアクチュエータ中央部を最大変位とした上下に振動運動する。このような圧電素子は、例えばインクジェットヘッドに利用される。   FIGS. 1B-1 and 1B-2 are diagrams illustrating a basic configuration of a unimorph actuator that is an example of a piezoelectric actuator using a transverse vibration mode of a piezoelectric body. (B-1) is a side view, and (B-2) is a top view. Reference numeral 111 denotes a diaphragm, 112 denotes a lower electrode, 113 denotes a piezoelectric body, 114 denotes an upper electrode, and 115 denotes an actuator holding base. When a voltage is applied between the upper and lower electrodes 112 and 114, the piezoelectric body 113 expands and contracts in the plane direction, so that the vibration plate 111 vibrates up and down with the actuator central portion as a maximum displacement. Such a piezoelectric element is used for an inkjet head, for example.

次に、本実施形態の圧電体素子に関わる構成要素、本明細書記載の語彙、及び本実施形態の圧電体素子が好適に適用できるインクジェットヘッド、それを用いたインクジェットプリンタについて説明する。   Next, components related to the piezoelectric element of the present embodiment, vocabulary described in the present specification, an ink jet head to which the piezoelectric element of the present embodiment can be suitably applied, and an ink jet printer using the ink jet head will be described.

[圧電体]
本実施形態で使用する圧電体は、圧電定数d33及びd31について、下記関係式(I);
0.1≦|d33/d31|≦1.8 (I)
を満たすことを特徴としている。
[Piezoelectric body]
The piezoelectric body used in the present embodiment has the following relational expression (I) for the piezoelectric constants d 33 and d 31 :
0.1 ≦ | d 33 / d 31 | ≦ 1.8 (I)
It is characterized by satisfying.

圧電体に電界を加えた時それに応じた歪み・応力を生じるが、圧電定数はその電界に対する歪む能力を示すものであり、一般に、本実施形態のように逆圧電効果を論じる時には単位として[pm/V]を使い、圧電効果について論じる時には[pC/N]を用いる。   When an electric field is applied to a piezoelectric body, strain and stress are generated according to the applied electric field. The piezoelectric constant indicates the ability to distort the electric field. Generally, when discussing the inverse piezoelectric effect as in this embodiment, the unit is [pm / V] and [pC / N] when discussing the piezoelectric effect.

ここでd33、d31の添え字表記は、直行する3つの軸1、2及び3を規定したとき、最初の添え字が電界を加えた方向を示し、2番目の添え字が歪の方向を示す。 Here, the subscript notation of d 33 and d 31 indicates the direction in which the electric field is applied when the first three axes 1, 2 and 3 are defined, and the second subscript is the direction of distortion. Indicates.

一般に|d33/d31|は、種々の圧電体材料について、経験的に、2<|d33/d31|<3の範囲にあるといわれている。 In general, | d 33 / d 31 | is empirically said to be in the range of 2 <| d 33 / d 31 | <3 for various piezoelectric materials.

また、d31方向の歪みがノイズとなる水中用送受波器用圧電体材料として、d31を実質的に0にする試みがなされている。即ち|d33/d31|≧3となる有機/無機複合圧電体材料を開発する試みがなされているが、有機/無機複合圧電体材料を選択することによって、水中用送受波器の有効圧電定数d33の絶対値を低下させてしまう弊害を引き起こしていた。 In addition, attempts have been made to substantially reduce d 31 to zero as a piezoelectric material for an underwater transducer in which distortion in the d 31 direction becomes noise. That | d 33 / d 31 | Attempts to develop ≧ 3 become organic / inorganic composite piezoelectric material have been made, the organic / inorganic by selecting a composite piezoelectric material, the underwater transducer effective piezoelectric the absolute value of the constant d 33 was causing adverse effect would decrease.

しかしながら、本発明者らが上記目的を達成させるために、圧電体の合成・成膜手段としてパルスMOCVD法を選択し、その合成・成膜方法を検討した結果、上記圧電体の経験的なd33とd31との相対関係を示す領域から外れた圧電体となることを見出した。そして、その圧電体が、横振動モードを利用する圧電アクチュエータに好適であることを見出した。 However, in order to achieve the above object, the present inventors have selected the pulse MOCVD method as the piezoelectric material synthesis / film formation means and studied the synthesis / film formation method. It has been found that the piezoelectric body is out of the region showing the relative relationship between 33 and d 31 . And it discovered that the piezoelectric material was suitable for the piezoelectric actuator using a transverse vibration mode.

具体的には、
0.1≦|d33/d31|≦1.8 (I)
となるとき、横振動モードを利用する圧電アクチュエータ用圧電体として好適である。
In particular,
0.1 ≦ | d 33 / d 31 | ≦ 1.8 (I)
Then, it is suitable as a piezoelectric body for a piezoelectric actuator that uses a transverse vibration mode.

圧電定数d33、d31の関係が、|d33/d31|≦1.8の範囲にあるとき、横振動モードの変位量が大きく、かつ縦振動モードの変位が抑えられているため、効率よくアクチュエータ変位を利用できる。さらに長時間使用に際しても特性劣化の少ない圧電体素子となることが可能となる。 When the relationship between the piezoelectric constants d 33 and d 31 is in the range of | d 33 / d 31 | ≦ 1.8, the displacement amount in the transverse vibration mode is large and the displacement in the longitudinal vibration mode is suppressed. Actuator displacement can be used efficiently. Furthermore, it becomes possible to provide a piezoelectric element with little deterioration in characteristics even when used for a long time.

本実施形態に係わる圧電体が上記効果を奏する理由は明らかではないが、成膜基板上へ圧電体が成膜される過程において、圧電体材料はまず、基板上に成膜起点となる核が成膜基板上に形成され点在する。そして、その核から成膜基板上表面方向及び厚み方向に成長し圧電体膜が形成される過程を経ている。このとき、隣り合う核から成長を始めた圧電体材料が表面方向で会合し膜状態となるが、この過程においてその結合状態が圧電定数の相対関係|d33/d31|に大きく影響していると考えている。本実施形態に係わる圧電体においては、成膜方法としてパルスMOCVDを選択し、そのパルス時間間隔を精密に調整することによって、膜成長過程における隣り合う核から成長した圧電体材料の結合状態を制御できる。そうすることで、本実施形態に係わる圧電体を得ることが出来ていると考えている。 Although the reason why the piezoelectric body according to the present embodiment has the above-mentioned effect is not clear, in the process of forming the piezoelectric body on the film formation substrate, the piezoelectric material first has a nucleus serving as a film formation starting point on the substrate. It is formed on the film formation substrate and scattered. Then, a process of forming a piezoelectric film by growing from the nucleus in the surface direction and thickness direction on the film formation substrate is performed. At this time, the piezoelectric material starting to grow from adjacent nuclei associates in the surface direction to form a film state. In this process, the bonding state greatly affects the relative relationship of piezoelectric constants | d 33 / d 31 |. I think. In the piezoelectric body according to this embodiment, pulse MOCVD is selected as a film forming method, and the bonding state of piezoelectric materials grown from adjacent nuclei in the film growth process is controlled by precisely adjusting the pulse time interval. it can. By doing so, it is considered that the piezoelectric body according to the present embodiment can be obtained.

また、圧電定数d33、d31の関係が、|d33/d31|<0.1となるのは、d33、及びd31の絶対値が小さい場合のみ達成される領域であり、特に横振動モードを利用する圧電アクチュエータ用圧電体には適さない。圧電定数d33、d31の関係が、より好ましい範囲は、0.14≦|d33/d31|≦1.5である。 The relationship between the piezoelectric constants d 33 and d 31 is | d 33 / d 31 | <0.1, which is an area that can be achieved only when the absolute values of d 33 and d 31 are small. It is not suitable for a piezoelectric body for a piezoelectric actuator that uses a transverse vibration mode. The relationship between the piezoelectric constants d 33 and d 31 is more preferably 0.14 ≦ | d 33 / d 31 | ≦ 1.5.

本実施形態に係わる圧電体は、材料ごとにその成膜方法、具体的にはパルスMOCVD法におけるパルス時間間隔を調整することによって得ることができる。   The piezoelectric body according to the present embodiment can be obtained by adjusting the film formation method for each material, specifically, the pulse time interval in the pulse MOCVD method.

本実施形態において、PZT系・リラクサ系圧電体材料が特に好ましいが、これらの材料は特に上述した、結合状態を制御しやすい材料群となっている。   In the present embodiment, PZT / relaxer piezoelectric materials are particularly preferable. However, these materials are a group of materials that are particularly easy to control the bonding state described above.

圧電体の膜厚は1μm以上かつ10μm以下であることが、横振動モードを利用する圧電アクチュエータに用いる場合、圧電アクチュエータを駆動させる実効電界を、特殊な駆動電源を用いることなく適宜設定できるため好ましい。   It is preferable that the film thickness of the piezoelectric body is 1 μm or more and 10 μm or less because the effective electric field for driving the piezoelectric actuator can be appropriately set without using a special driving power source when used for a piezoelectric actuator using the transverse vibration mode. .

[PZT系・リラクサ系圧電体材料]
本明細書中記載のPZT系材料とは、一般式Pb(Zrx,Ti1-x)O3[0<x<1]であり、前記主成分に対して適宜、PbまたはZr、Tiを置換する元素が添加されていても構わない。添加される元素としては、La、Ca、Nd、Nb、Ta、Sb、Bi、Si、Cr、Fe、Sc、Sr、Pbなどが挙げられる。PZT系材料は、リラクサ系材料に比べてコンプライアンスが小さい為、150≦│d33│で、さらに│d33│≦300の範囲をとるのが好ましい。また、150≦│d31│であると横振動モードを利用する圧電アクチュエータに用いる場合より好ましい。
[PZT and relaxor piezoelectric materials]
The PZT-based material described in this specification is a general formula Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 [0 <x <1], and Pb, Zr, or Ti is appropriately added to the main component. An element to be substituted may be added. Examples of the element to be added include La, Ca, Nd, Nb, Ta, Sb, Bi, Si, Cr, Fe, Sc, Sr, and Pb. PZT-based material, because the smaller compliance than the relaxor materials, at 150 ≦ │d 33 │, further preferably ranges from │d 33 │ ≦ 300. Further, 150 ≦ | d 31 | is more preferable than the case of using the piezoelectric actuator using the transverse vibration mode.

本明細書中記載のリラクサ系圧電体材料とは、一般に誘電率の温度依存性がブロードな形状を示す事から呼称される強誘電体材料群である。例えば、(Pb(Mn,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PMN-PT)[0≦x<1]、(Pb(Zn,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PZN-PT)[0≦x<1]、(Pb(Ni,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PNN-PT)[0≦x<1]、(P(In,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PIN-PT)[0≦x<1]、(P(Sc,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PSN-PT)[0≦x<1]、(P(Yb,Nb)O3)1-x−(PbTiO3)x(PYN-PT)[0≦x<1]などが挙げられる。リラクサ系材料はコンプライアンスが大きい為、│d33│≦150の範囲をとるのが好ましい。また、150≦│d31│であると横振動モードを利用する圧電アクチュエータに用いる場合より好ましい。 The relaxor-based piezoelectric material described in this specification is a group of ferroelectric materials generally referred to as having a broad shape with a temperature dependence of dielectric constant. For example, (Pb (Mn, Nb) O 3 ) 1-x − (PbTiO 3 ) x (PMN-PT) [0 ≦ x <1], (Pb (Zn, Nb) O 3 ) 1-x − (PbTiO 3 ) x (PZN-PT) [0 ≦ x <1], (Pb (Ni, Nb) O 3 ) 1-x − (PbTiO 3 ) x (PNN-PT) [0 ≦ x <1], (P (In, Nb) O 3 ) 1-x − (PbTiO 3 ) x (PIN-PT) [0 ≦ x <1], (P (Sc, Nb) O 3 ) 1-x − (PbTiO 3 ) x ( PSN-PT) [0 ≦ x <1], (P (Yb, Nb) O 3 ) 1-x- (PbTiO 3 ) x (PYN-PT) [0 ≦ x <1], and the like. Since relaxer materials have large compliance, it is preferable to have a range of | d 33 | ≦ 150. Further, 150 ≦ | d 31 | is more preferable than the case of using the piezoelectric actuator using the transverse vibration mode.

以上、PZT系、リラクサ系圧電体材料について具体例を挙げて説明したが、本実施形態に係わるPZT系およびリラクサ系圧電体が、これら具体例に限定されるものではない。   As described above, the PZT-based and relaxor-based piezoelectric materials have been described with specific examples, but the PZT-based and relaxor-based piezoelectric materials according to the present embodiment are not limited to these specific examples.

[1軸配向結晶・単結晶]
本明細書中記載の1軸配向結晶とは、膜厚方向に単一の結晶方位をもつ結晶のことを指し、結晶の膜面内方位は特には問わない。図3には、X線回折で{110}非対称面の極点測定をした際に得られるパターンを示す。図3(A)が<100>PZTペロブスカイト型構造の1軸配向結晶の場合を示す。図3(B)がPZTペロブスカイト型構造の<100>単結晶の場合を示す。
[Uniaxial crystal / single crystal]
The uniaxially oriented crystal described in this specification refers to a crystal having a single crystal orientation in the film thickness direction, and the crystal in-plane orientation is not particularly limited. FIG. 3 shows a pattern obtained when the pole of an {110} asymmetric surface is measured by X-ray diffraction. FIG. 3A shows the case of a uniaxially oriented crystal having a <100> PZT perovskite structure. FIG. 3B shows the case of a <100> single crystal having a PZT perovskite structure.

例えば<100>1軸配向結晶とは、膜厚方向が<100>方位のみの結晶により構成された膜である。圧電膜が1軸配向結晶であることはX線回折を用いて確認することができる。例えば、PZTペロブスカイト型構造の<100>1軸配向結晶の場合、X線回折の2θ/θ測定での圧電膜に起因するピークは{100}、{200}等の(L00)面(L=1,2,3・・・n:nは整数)のピークのみが検出される。かつ、{110}非対称面の極点測定をした際に、図3(A)のように中心から約45°の傾きを表す同じ半径位置にリング状のパターンが得られる。   For example, a <100> uniaxially oriented crystal is a film composed of crystals having a film thickness direction only in the <100> orientation. Whether the piezoelectric film is a uniaxial crystal can be confirmed using X-ray diffraction. For example, in the case of a <100> uniaxially oriented crystal having a PZT perovskite type structure, peaks caused by the piezoelectric film in 2θ / θ measurement of X-ray diffraction are (L00) planes such as {100}, {200} (L = Only peaks of 1, 2, 3,..., N: n is an integer) are detected. In addition, when the pole measurement of the {110} asymmetric surface is performed, a ring-shaped pattern is obtained at the same radial position representing an inclination of about 45 ° from the center as shown in FIG.

本明細書中記載の単結晶とは、膜厚方向及び膜面内方向に単一の結晶方位を持つ結晶のことを指す。例えば<100>単結晶とは、膜厚方向が<100>方位のみとなり、かつ、膜面内方向のある一方向が<110>方位のみの結晶により構成された膜である。圧電膜が1軸配向結晶であることはX線回折を用いて確認することができる。例えば、PZTペロブスカイト型構造の<100>単結晶の場合、X線回折の2θ/θ測定での圧電膜に起因するピークは{100}、{200}等の(L00)面(L=1,2,3・・・n:nは整数)のピークのみが検出される。かつ、{110}非対称面の極点測定をした際に、図3(B)のように中心から約45°の傾きを表す同じ半径位置に90°毎に4回対称のスポット状のパターンが得られる。   The single crystal described in this specification refers to a crystal having a single crystal orientation in the film thickness direction and the in-plane direction. For example, a <100> single crystal is a film composed of crystals having a film thickness direction only in the <100> orientation and one in-plane direction having only the <110> orientation. Whether the piezoelectric film is a uniaxial crystal can be confirmed using X-ray diffraction. For example, in the case of a <100> single crystal having a PZT perovskite structure, the peak due to the piezoelectric film in the 2θ / θ measurement of X-ray diffraction is the (L00) plane (L = 1, {100}, {200}, etc.) 2, 3... N: n is an integer) only. In addition, when measuring the extreme point of the {110} asymmetric surface, a spot-like pattern that is symmetric four times every 90 ° is obtained at the same radial position representing an inclination of about 45 ° from the center as shown in FIG. It is done.

また、例えば<100>配向のPZTペロブスカイト型構造で、{110}非対称面の極点測定をした際に、中心から約45°の傾きを表す同じ半径位置に8回対称や12回対称のパターンが得られる結晶もある。もしくは、パターンがスポットではなく楕円である結晶もある。これらの結晶も、本実施形態の単結晶と1軸配向結晶の中間の対称性を有する結晶であるため、広義に単結晶および1軸配向結晶とみなす。同様に、例えば単斜晶と正方晶、単斜晶と菱面体晶、正方晶と菱面体晶、そのすべてなどの複数結晶相が混在(混相)する場合や、双晶に起因する結晶が混在する場合や、転位や欠陥等がある場合も、広義に単結晶および1軸配向結晶とみなす。   Further, for example, in a PZT perovskite type structure with <100> orientation, when measuring a pole of a {110} asymmetric surface, an 8-fold or 12-fold symmetric pattern is formed at the same radial position representing an inclination of about 45 ° from the center. Some crystals are obtained. Alternatively, some crystals have an oval pattern instead of a spot. These crystals are also crystals having an intermediate symmetry between the single crystal of the present embodiment and the uniaxially oriented crystal, and thus are regarded as a single crystal and a uniaxially oriented crystal in a broad sense. Similarly, for example, when multiple crystal phases such as monoclinic and tetragonal, monoclinic and rhombohedral, tetragonal and rhombohedral, etc. are mixed (mixed phase), or crystals due to twins are mixed When there is a dislocation or a defect, it is regarded as a single crystal and a uniaxially oriented crystal in a broad sense.

[電極]
本実施形態の圧電体素子は、圧電体に接するように対向して一対の電極(上電極及び下電極)が配置される。
[electrode]
In the piezoelectric element of the present embodiment, a pair of electrodes (an upper electrode and a lower electrode) are arranged so as to be in contact with the piezoelectric body.

電極材料としては、下電極及び上電極について、圧電体に実効的に電界を加えることができる導電性を有する材料であれば構わない。例えば、Au、Pt、Ir、Al、Ti、Taなどの金属材料や、IrO2,RuO2などの金属酸化物材料などを挙げることができる。さらに下電極及び上電極が多層構成であっても構わない。好ましくは、少なくとも下電極または上電極どちらか一方が、導電性酸化物層を含む構成となっていることが好ましい。特に、下電極が導電性酸化物層を有することが好ましい。つまり、圧電体素子の圧電体の結晶状態を制御する場合、具体的には1軸配向または単結晶に結晶状態を制御する場合において、次のことが言える。すなわち、圧電体素子を振動板、下電極、圧電体、上電極の順、もしくは振動板、バッファ層、下電極、圧電体、上電極の順に形成していく場合には、圧電体の結晶状態を制御するために、下電極の結晶構造が重要となってくる。 As the electrode material, any material may be used as long as the lower electrode and the upper electrode have conductivity that can effectively apply an electric field to the piezoelectric body. For example, metal materials such as Au, Pt, Ir, Al, Ti, and Ta, and metal oxide materials such as IrO 2 and RuO 2 can be used. Furthermore, the lower electrode and the upper electrode may have a multilayer structure. Preferably, at least one of the lower electrode and the upper electrode is configured to include a conductive oxide layer. In particular, the lower electrode preferably has a conductive oxide layer. That is, when controlling the crystal state of the piezoelectric body of the piezoelectric element, specifically, when controlling the crystal state to be uniaxially oriented or single crystal, the following can be said. That is, when the piezoelectric element is formed in the order of the diaphragm, lower electrode, piezoelectric body, and upper electrode, or in the order of the diaphragm, buffer layer, lower electrode, piezoelectric body, and upper electrode, the crystalline state of the piezoelectric body In order to control this, the crystal structure of the lower electrode becomes important.

このとき、下電極として好適に導電性酸化物材料が使用できる。例えばLaあるいはNbでドープされたSrTiO3, SrRuO3, BaPbO3、LaNiO3 、Pb2Ir2O7等が挙げられる。 At this time, a conductive oxide material can be suitably used as the lower electrode. Examples thereof include SrTiO 3 , SrRuO 3 , BaPbO 3 , LaNiO 3 , and Pb 2 Ir 2 O 7 doped with La or Nb.

また、下電極が2層以上の導電性酸化物層を有することがより好ましい。これは前述したバッファ層が導電性酸化物材料である場合と同義の構成であり、結晶構造の制御がその特性に大きく影響する圧電体の結晶構造をより良い状態で制御することが可能となる。   More preferably, the lower electrode has two or more conductive oxide layers. This is the same structure as the case where the buffer layer is made of a conductive oxide material, and it becomes possible to control the crystal structure of the piezoelectric body in which the control of the crystal structure greatly affects the characteristics in a better state. .

また、転写法を用い上電極、圧電体、下電極の順に、形成していく場合においては、上電極の結晶構造が重要となり、前述した下電極の金属酸化物が好適に使用できる。   Further, in the case of forming the upper electrode, the piezoelectric body, and the lower electrode in this order using the transfer method, the crystal structure of the upper electrode is important, and the above-described metal oxide of the lower electrode can be preferably used.

また、下電極・上電極の厚みは、電極として圧電体に実効的に電界を加えるために必要な導電性を持つための最低厚みが決定される。これは電極材料の導電率・圧電体素子のディメンジョンなどから決めることができる。   In addition, the thickness of the lower electrode and the upper electrode is determined as the minimum thickness required to have conductivity necessary for effectively applying an electric field to the piezoelectric body as an electrode. This can be determined from the conductivity of the electrode material, the dimension of the piezoelectric element, and the like.

最大厚みについては、下電極は、ベンディングモード型圧電体素子の振動板機能を兼ねることが可能であるので、特に制限はないが、上電極については、横振動モードの負荷としかならないので、なるべく薄いことが好ましい。   The maximum thickness is not particularly limited because the lower electrode can also serve as a diaphragm function of the bending mode type piezoelectric element. However, the upper electrode can only be a load in the transverse vibration mode, so that it is possible. Thin is preferred.

下電極に振動板機能を兼ねさせない場合については、下電極・上電極共に、10nm〜1μmの範囲で最適厚みとなる。   When the lower electrode does not function as a diaphragm, both the lower electrode and the upper electrode have an optimum thickness in the range of 10 nm to 1 μm.

[振動板]
本実施形態の圧電体素子は、電極の一方(下電極)にさらに振動板を設けることもできる。振動板は、本実施形態に係わる圧電体の横振動モードの変位を有効に取り出すためのベンディングモード型圧電体素子として必須の構成要素である。
[Vibration plate]
In the piezoelectric element of the present embodiment, a diaphragm can be further provided on one of the electrodes (lower electrode). The diaphragm is an essential component as a bending mode type piezoelectric element for effectively taking out the displacement of the transverse vibration mode of the piezoelectric body according to the present embodiment.

振動板として用いられる主な材料は、ScおよびYを含む希土類元素でドープされたZrO2、BaTiO3、MgO、SrTiO3、MgAl2O4等の酸化物及び/あるいはSiを用いることができる。SiはB元素等のドーパント元素を含んでいても良い。これらの材料を主成分とする振動板は、ある特定制御された結晶構造を有する。<100>、<110>あるいは<111>の結晶構造が80%以上の強度で配向している場合が、圧電体の分極軸方向を印加する駆動電界に対して揃えることなり、圧電アクチュエータとして利用するのに、安定した変位を得ることができ、好ましい。より好ましくは99%以上から100%である。ここで、「99%」とは、XRD強度で1%主たる配向と異なる配向が存在する事を意味する。 As the main material used for the diaphragm, an oxide such as ZrO 2 , BaTiO 3 , MgO, SrTiO 3 , MgAl 2 O 4 and / or Si doped with rare earth elements including Sc and Y can be used. Si may contain a dopant element such as a B element. A diaphragm mainly composed of these materials has a specific and controlled crystal structure. When the crystal structure of <100>, <110>, or <111> is oriented with an intensity of 80% or more, the polarization axis direction of the piezoelectric body is aligned with the driving electric field to be applied, and is used as a piezoelectric actuator. However, a stable displacement can be obtained, which is preferable. More preferably, it is 99% to 100%. Here, “99%” means that an orientation different from the main orientation of 1% in XRD strength exists.

さらに好ましくは、<100>1軸配向または単結晶である。これは、圧電体の分極軸方向と、印加する駆動電界の方向が一致するため、安定し、かつ大きな変位をえることができるため、好ましい。   More preferred is <100> uniaxial orientation or single crystal. This is preferable because the direction of the polarization axis of the piezoelectric body matches the direction of the drive electric field to be applied, so that stable and large displacement can be obtained.

また、例えば画像形成用のインクなどを吐出させる液体吐出装置の振動板のように、その使用時において様々な材料と接触する振動板の表面は、化学結合的に安定した酸化物層を有することが好ましい。   In addition, the surface of the diaphragm that comes into contact with various materials during use, such as a diaphragm of a liquid ejection device that ejects ink for image formation or the like, has an oxide layer that is chemically bonded and stable. Is preferred.

[バッファ層]
圧電体素子の圧電体の結晶状態を制御する場合、具体的には1軸配向または単結晶に結晶状態を制御する場合において、振動板と下電極との間に、圧電体を1軸配向または単結晶に結晶状態に制御し合成することを目的として、バッファ層を形成しても良い。バッファ層は複数の層であっても構わない。
[Buffer layer]
When controlling the crystal state of the piezoelectric body of the piezoelectric element, specifically, when controlling the crystal state to be uniaxially oriented or single crystal, the piezoelectric body is uniaxially orientated between the diaphragm and the lower electrode. A buffer layer may be formed for the purpose of controlling and synthesizing a single crystal in a crystalline state. The buffer layer may be a plurality of layers.

バッファ層の材料としては、格子定数が基板の格子定数と8%以下の違いの範囲で合致する材料が好ましい。また、バッファ層としては、スパッタ法、MO-CVD法、レーザーアブレーション法で成膜できる酸化物が好ましく、立方晶あるいは擬似立法晶で格子定数が3.6Åから6.0Åの結晶構造を有するものが好ましい。   As the material for the buffer layer, a material whose lattice constant matches the lattice constant of the substrate within a range of 8% or less is preferable. The buffer layer is preferably an oxide that can be formed by sputtering, MO-CVD, or laser ablation, and preferably has a cubic or pseudo-cubic crystal structure with a crystal constant of 3.6 to 6.0 mm. .

具体的な構成としては、例えば、10%Y2O3-ZrO2(100)/Si(100)、10%Y2O3-ZrO2(111)/Si(111)、SrTiO3(100)/MgO(100)、MgAl2O4(100)/MgO(100)、BaTiO3(001)/MgO(100)等が挙げられる。ここで、10%Y2O3-ZrO2の格子定数は5.16Å、SrTiO3は3.91Å、MgOは4.21Å、MgAl2O4は4.04Å、BaTiO3は3.99Å、Siは5.43Åである。格子定数の整合性を算出すると、例えば、10%Y2O3-ZrO2(111)/Si(111)を例に採ると次のようになる。10%Y2O3-ZrO2(111)は5.16×√2=7.30Å、Si(111)は5.43×√2=7.68Åで、整合性の違いは4.9%となり、良好であることが判る。 Specific configurations include, for example, 10% Y 2 O 3 —ZrO 2 (100) / Si (100), 10% Y 2 O 3 —ZrO 2 (111) / Si (111), SrTiO 3 (100) / MgO (100), MgAl 2 O 4 (100) / MgO (100), BaTiO 3 (001) / MgO (100) and the like. Here, the lattice constant of 10% Y 2 O 3 -ZrO 2 is 5.16Å, SrTiO 3 is 3.91A, MgO is 4.21Å, MgAl 2 O 4 is 4.04Å, BaTiO 3 is 3.99A, Si is a 5.43Å . When the lattice constant consistency is calculated, for example, 10% Y 2 O 3 —ZrO 2 (111) / Si (111) is taken as an example. 10% Y 2 O 3 -ZrO 2 (111) is 5.16 × √2 = 7.30Å, with Si (111) is 5.43 × √2 = 7.68Å, differences in consistency becomes 4.9%, it is found that a good .

[圧電体合成・成膜方法]
本実施形態の圧電体を合成・成膜するのに好適な方法としては、ゾルゲル法、水熱合成法、スパッタ法、MBE法、PLD法、CVD法、MOCVD法などの一般に言われる薄膜成膜方法が挙げられる。これらの薄膜成膜方法は、10nm〜10μmオーダーの膜厚を成膜することに好適な合成・成膜方法である。この中でも、特にMOCVD法が好適である。
[Piezoelectric synthesis and deposition method]
Suitable methods for synthesizing and forming the piezoelectric body of the present embodiment include sol-gel method, hydrothermal synthesis method, sputtering method, MBE method, PLD method, CVD method, MOCVD method, etc. A method is mentioned. These thin film forming methods are synthesis / film forming methods suitable for forming a film thickness on the order of 10 nm to 10 μm. Among these, the MOCVD method is particularly preferable.

以下、本実施形態の圧電体素子の圧電体合成・成膜方法について、その1例であるMOCVD法による圧電体の合成・成膜方法について図面を用いて説明する。   Hereinafter, a piezoelectric material synthesizing / film forming method of the piezoelectric element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図4は、MOCVD装置の構造・機構を示す装置概略図である。401、402、403は合成・成膜する材料の出発原料を貯蔵、及び不活性キャリアガスを用いて最適化された出発原料の分圧を適宜調整することが可能な出発原料貯蔵庫であり、出発原料の分圧を調整するための加熱装置(不図示)がおのおのに付加されている。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure and mechanism of the MOCVD apparatus. Reference numerals 401, 402, and 403 denote starting material storages that can store starting materials of materials to be synthesized and formed, and can appropriately adjust the partial pressure of the starting materials optimized using an inert carrier gas. A heating device (not shown) for adjusting the partial pressure of the raw material is added to each.

出発原料が液体の場合は、401、402に示すように出発原料中に不活性キャリアガスを吹き入れ、バブリングを行い効率的に出発原料ガス・不活性キャリアガス混合ガスを作る。   When the starting material is liquid, as shown at 401 and 402, an inert carrier gas is blown into the starting material, and bubbling is performed to efficiently produce a starting material gas / inert carrier gas mixed gas.

出発原料が固体の場合には、不活性キャリアガスを出発原料表面に直接吹き付けることで、効率的に出発原料ガス・不活性ガス混合ガスを作る。   When the starting material is solid, the starting material gas / inert gas mixed gas is efficiently produced by directly spraying the inert carrier gas on the surface of the starting material.

目的の合成・成膜材料組成にあわせて、おのおのの出発原料の分圧、流量を調整された不活性キャリアガス・出発原料混合ガスは、出発原料混合ガス供給路404を通って混合される。そして、反応室405にあるノズル406から基板フォルダ407に配置された基板に出発原料混合ガスを吹き付けられる構成となっている。また酸化物を成膜する場合には原料酸素ガスを酸素ガス供給路408から、ノズル406に供給できる構成となっている。このときノズル406に供給される前に不活性キャリアガスと混合し、供給流量に加えて、酸素分圧を調整することで、合成・成膜時の供給酸素量を調整できる構成となっている。   The inert carrier gas / starting material mixed gas whose partial pressure and flow rate of each starting material are adjusted in accordance with the target composition / film forming material composition is mixed through the starting material mixed gas supply path 404. Then, the starting raw material mixed gas is sprayed from the nozzle 406 in the reaction chamber 405 to the substrate disposed in the substrate folder 407. When an oxide film is formed, the raw material oxygen gas can be supplied from the oxygen gas supply path 408 to the nozzle 406. At this time, it is mixed with an inert carrier gas before being supplied to the nozzle 406, and the oxygen supply pressure during synthesis and film formation can be adjusted by adjusting the oxygen partial pressure in addition to the supply flow rate. .

不活性キャリアガス・出発原料混合ガスを間欠的に供給することも可能な構成となっている。   An inert carrier gas / starting raw material mixed gas can also be supplied intermittently.

また、基板フォルダ407は成膜温度を調整できるよう加熱装置(不図示)が付加されており、均一な成膜を行うために回転機構が付加されている。   Further, a heating device (not shown) is added to the substrate folder 407 so that the film forming temperature can be adjusted, and a rotation mechanism is added to perform uniform film formation.

減圧装置409は反応室405に繋がれており、成膜時の反応室405の圧力を調整できる構成となっている。   The decompression device 409 is connected to the reaction chamber 405 so that the pressure in the reaction chamber 405 during film formation can be adjusted.

MOCVD法において、例えばPZT系材料を成膜するための出発原料は、そのPZT系材料をMOCVD法で成膜するために利用できることが公知の出発原料をそのまま用いることができ、特に限定されない。すなわち、PZT系材料を構成する金属を含む気化可能な有機金属化合物であればよい。一般的には、アルキル金属化合物、アルコキシ金属化合物、アルキルアルコキシ金属化合物、β−ジケトン化合物、シクロペンタジエニル化合物、ハロゲン化物などが用いられる。   In the MOCVD method, for example, a starting material for forming a PZT-based material can be a known starting material that can be used for forming the PZT-based material by the MOCVD method, and is not particularly limited. That is, any vaporizable organometallic compound containing a metal constituting the PZT-based material may be used. In general, an alkyl metal compound, an alkoxy metal compound, an alkyl alkoxy metal compound, a β-diketone compound, a cyclopentadienyl compound, a halide, or the like is used.

例えば、((CH33CCO)2CH−をthdで表わすと、
Pb原料として、Pb(C254、Pb(thd)2、(C253PbOCH2C(CH33、Pb(C253(t−OC49)、Pb(CH34、PbCl4、Pb(n−C374、Pb(i−C374、Pb(C654、PbCl2など;
Zr原料として、Zr(t−OC494,Zr(i−C374,Zr(thd)4,ZrCl4,Zr(C552Cl2,Zr(OCH34,Zr(OC254,Zr(n−OC5114,Zr(C2624など;
Ti原料として、Ti(i−OC374,Ti(thd)2(i−OC372,Ti(OC254,TiCl4,Ti(OCH34,Ti(OCH94,Ti(OC5114など;
を挙げることができる。
For example, when ((CH 3 ) 3 CCO) 2 CH— is represented by thd,
Pb (C 2 H 5 ) 4 , Pb (thd) 2 , (C 2 H 5 ) 3 PbOCH 2 C (CH 3 ) 3 , Pb (C 2 H 5 ) 3 (t-OC 4 H 9) ), Pb (CH 3 ) 4 , PbCl 4 , Pb (n-C 3 H 7 ) 4 , Pb (i-C 3 H 7 ) 4 , Pb (C 6 H 5 ) 4 , PbCl 2 and the like;
Of Zr raw material, Zr (t-OC 4 H 9) 4, Zr (i-C 3 H 7) 4, Zr (thd) 4, ZrCl 4, Zr (C 5 H 5) 2 Cl 2, Zr (OCH 3 ) 4 , Zr (OC 2 H 5 ) 4 , Zr (n-OC 5 H 11 ) 4 , Zr (C 2 H 6 O 2 ) 4 and the like;
As the Ti source, Ti (i-OC 3 H 7) 4, Ti (thd) 2 (i-OC 3 H 7) 2, Ti (OC 2 H 5) 4, TiCl 4, Ti (OCH 3) 4, Ti (OCH 9 ) 4 , Ti (OC 5 H 11 ) 4 and the like;
Can be mentioned.

また、PZTではPbの一部をLaなどで置換することが行なわれるが、その場合のLa原料としては、La(thd)3,La(C2624,LaCl3などを用いることができる。 In PZT, a part of Pb is replaced with La or the like. In this case, La (thd) 3 , La (C 2 H 6 O 2 ) 4 , LaCl 3 or the like is used as the La raw material. be able to.

また、Mg原料としては、Mg[6−C25−2,2−(CH32−C10152]2、Mg(thd)2など;Nb原料としては、Nb(C255,NbC37(C254,Nb(O−iC375など;である。 As the, Mg [6-C 2 H 5 -2,2- (CH 3) 2 -C 10 H 15 O 2] 2, Mg (thd) 2 such as Mg raw material; the Nb material, Nb (C 2 H 5) 5, NbC 3 H 7 (C 2 H 5) 4, Nb (O-iC 3 H 7) 5 and the like; a.

これらの原料の多くは、毒性の問題のほか、室温で固体や液体であり、蒸気圧も低いので、加熱して蒸気圧を高くする必要がある。   Many of these raw materials are not only toxic but also solid or liquid at room temperature and have a low vapor pressure. Therefore, it is necessary to increase the vapor pressure by heating.

出発原料混合ガスを反応室に均一に導入させるために、導入前に各原料ガスを混合させるのが好ましい。また、配管内で単結晶成膜を阻害する酸化反応が進行しないよう出発原料供給路の温度制御を行うことが好ましい。例えばPZT系では、原料種にもよるが、加熱温度は、30℃から250℃の範囲で行うことができる。   In order to uniformly introduce the starting raw material mixed gas into the reaction chamber, it is preferable to mix the raw material gases before introduction. In addition, it is preferable to control the temperature of the starting material supply path so that an oxidation reaction that inhibits single crystal film formation does not proceed in the pipe. For example, in the PZT system, the heating temperature can be in the range of 30 ° C. to 250 ° C., depending on the raw material species.

基板回転は行わなくても成膜可能であるが、基板回転を行う場合は、0.01rpmから100rpmの範囲で調整することが好ましい。   The film can be formed without rotating the substrate. However, when the substrate is rotated, it is preferable to adjust in the range of 0.01 rpm to 100 rpm.

不活性キャリアガスは、具体的には、例えばAr,N2、He等を用いる事ができる。また、これらの混合系であっても良い。これらの不活性キャリアガスの流量は、10cm3/分から1000cm3/分の範囲で調整する。 Specifically, for example, Ar, N 2 , He, or the like can be used as the inert carrier gas. Moreover, these mixed systems may be sufficient. Flow rate of inert carrier gas is adjusted within a range of 10 cm 3 / min to 1000 cm 3 / min.

液体原料の成膜前のバブリング時間は装置の構造にもよるが、5分から2時間が好ましく、より好ましくは10分から1時間である。この時間を設けずに成膜を始めると、初期に成膜される膜の組成制御に劣る恐れがある。   Although the bubbling time before film formation of the liquid raw material depends on the structure of the apparatus, it is preferably 5 minutes to 2 hours, more preferably 10 minutes to 1 hour. If film formation is started without this time, the composition control of the film formed in the initial stage may be inferior.

酸化ガスには、酸素ガスあるいは酸素・不活性ガス混合ガスが用いられる。この流量は、10cm3/分から5000cm3/分で調整できる。 As the oxidizing gas, oxygen gas or oxygen / inert gas mixed gas is used. This flow rate can be adjusted from 10 cm 3 / min to 5000 cm 3 / min.

上記各ガスの流量制御により反応室の全圧は、0.05torrから100torrで成膜が可能な構成となっている。   By controlling the flow rate of each gas, the total pressure in the reaction chamber can be formed at 0.05 to 100 torr.

これにより、成膜速度が限定するわけではないが、例えば0.1μm/hr〜5μm/hr程度の好ましい範囲内となり、安定成膜を行う事が出来る。   Thereby, although the film forming speed is not limited, for example, it is within a preferable range of about 0.1 μm / hr to 5 μm / hr, and stable film formation can be performed.

[液体吐出ヘッド]
次に、本実施形態の圧電体素子を適用した液体吐出ヘッドの概略を、図5を用いて説明する。図5は、液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの構造の一例を示す概略図であり、501は吐出口、502は個別液室、503は個別液室502と吐出口501をつなぐ連通孔、504は共通液室、506は個別液室502と共通液室504とのインク流を制限する絞り部である。また、505は振動板、507は下電極、508は圧電体、509は上電極である。これらの形状は本図面によって特に限定されるものではなく、本実施形態の圧電体素子をインクジェットヘッドに適用した場合の一例である。なお、この例における圧電体素子は、圧電体508が下電極507及び上電極509で挟まれた部分と、下電極507上に設けられた振動板505とからなる部分である。
[Liquid discharge head]
Next, an outline of a liquid discharge head to which the piezoelectric element of the present embodiment is applied will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the structure of an ink jet head that is a liquid discharge head, in which 501 is an ejection port, 502 is an individual liquid chamber, 503 is a communication hole that connects the individual liquid chamber 502 and the ejection port 501, and 504 is A common liquid chamber 506 is a throttle unit that restricts the ink flow between the individual liquid chamber 502 and the common liquid chamber 504. Reference numeral 505 denotes a diaphragm, 507 denotes a lower electrode, 508 denotes a piezoelectric body, and 509 denotes an upper electrode. These shapes are not particularly limited by the drawings, but are examples when the piezoelectric element of the present embodiment is applied to an inkjet head. Note that the piezoelectric element in this example is a portion including a portion where the piezoelectric body 508 is sandwiched between the lower electrode 507 and the upper electrode 509 and a diaphragm 505 provided on the lower electrode 507.

本実施形態の圧電体508に係わる部分について、更に詳細に図6を用い説明する。図6は、図5の圧電体508を含む部分の幅方向での断面図である。508は圧電体であり、505は振動板、507は下電極、509は上電極である。振動板505と下電極507との間に、例えば結晶性を制御するバッファ層などの機能を持った中間層510を有していてもよく、中間層510は複数の層構造を有していてもかまわない。また下電極507、上電極509においても密着性改善のための層などの機能を持った複数の層構造を有していてもかまわない。圧電体508の断面形状は矩形で表示されているが、形状についてもこれに限定されるものではない。   The portion related to the piezoelectric body 508 of this embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 6 is a cross-sectional view in the width direction of a portion including the piezoelectric body 508 of FIG. Reference numeral 508 denotes a piezoelectric body, reference numeral 505 denotes a diaphragm, reference numeral 507 denotes a lower electrode, and reference numeral 509 denotes an upper electrode. An intermediate layer 510 having a function such as a buffer layer for controlling crystallinity may be provided between the diaphragm 505 and the lower electrode 507, and the intermediate layer 510 has a plurality of layer structures. It doesn't matter. Further, the lower electrode 507 and the upper electrode 509 may have a plurality of layer structures having a function such as a layer for improving adhesion. Although the cross-sectional shape of the piezoelectric body 508 is displayed as a rectangle, the shape is not limited to this.

下電極507は圧電体508が存在しない部分まで引き出されており、上電極509は、下電極507と反対側(不図示)に引き出され駆動電源に繋がれる。図5及び図6では下電極はパターニングされた状態を示しているが、圧電体がない部分にも存在するものであっても良い。   The lower electrode 507 is drawn to a portion where the piezoelectric body 508 does not exist, and the upper electrode 509 is drawn to the side (not shown) opposite to the lower electrode 507 and connected to a driving power source. 5 and 6 show a state in which the lower electrode is patterned, it may exist also in a portion where there is no piezoelectric body.

本実施形態のインクジェットヘッドにおいて振動板505の厚みは1.0〜10μmであると、使用する圧電体の厚みとのオーダとほぼ一致し、有効に横振動モードの変位を取り出すことができるため好ましい。より好ましくは1.0〜6.0μmである。この厚みには、バッファ層がある場合は、バッファ層の厚みも含まれるものとする。下電極507、上電極509の膜厚は0.05〜0.4μmが好ましく、より好ましくは0.08〜0.2μmである。   In the inkjet head of this embodiment, it is preferable that the thickness of the vibration plate 505 is 1.0 to 10 μm because it substantially matches the order of the thickness of the piezoelectric body to be used, and the displacement in the transverse vibration mode can be taken out effectively. More preferably, it is 1.0-6.0 micrometers. When there is a buffer layer, this thickness includes the thickness of the buffer layer. The film thicknesses of the lower electrode 507 and the upper electrode 509 are preferably 0.05 to 0.4 μm, more preferably 0.08 to 0.2 μm.

図7は、インクジェットヘッドの1ユニットの構造を示す図である。個別液室502の幅Waは、30〜180μmが好ましい。個別液室502の長さWbは、吐出液滴量にもよるが、0.3〜6.0mmが好ましい。吐出口501の形は、円形が好ましく、径は、7〜30μmが好ましい。連通孔503方向に拡大されたテーパー形状を有するのが、好ましい。連通孔503の長さは、0.05mmから0.5mmが好ましい。これを超える長さであると、液滴の吐出スピードが小さくなる恐れがある。また、これ未満であると各吐出口から吐出される液滴の吐出スピードのばらつきが大きくなる恐れがある。   FIG. 7 is a diagram showing the structure of one unit of the inkjet head. The width Wa of the individual liquid chamber 502 is preferably 30 to 180 μm. The length Wb of the individual liquid chamber 502 is preferably 0.3 to 6.0 mm, although it depends on the discharge droplet amount. The shape of the discharge port 501 is preferably circular, and the diameter is preferably 7 to 30 μm. It is preferable to have a tapered shape expanded in the direction of the communication hole 503. The length of the communication hole 503 is preferably 0.05 mm to 0.5 mm. If the length is longer than this, the droplet discharge speed may be reduced. On the other hand, if it is less than this, there is a fear that the variation in the ejection speed of the droplets ejected from each ejection port becomes large.

[液体吐出装置]
本実施形態の液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置について説明する。
[Liquid ejection device]
A liquid discharge apparatus using the liquid discharge head of this embodiment will be described.

図8に本実施形態の圧電体素子を好適に適用できるインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置の概略図を示す。また、図8のインクジェット記録装置の外装をはずした動作機構部概略図を図9に示す。   FIG. 8 shows a schematic diagram of an ink jet recording apparatus using an ink jet head to which the piezoelectric element of the present embodiment can be suitably applied. Further, FIG. 9 shows a schematic diagram of the operation mechanism part with the exterior of the ink jet recording apparatus of FIG. 8 removed.

記録媒体としての記録紙を装置本体内へ自動給送する自動給送部801と、自動給送部801から送出される記録紙を所定の記録位置へと導くとともに、記録位置から排出口802へと記録紙を導く搬送部803とを有している。また、記録位置に搬送された記録紙に記録を行う記録部と、記録部に対する回復処理を行う回復部804とから構成されている。本実施形態のインクジェットヘッドは、キャリッジ805に配置され使用される。   An automatic feeding unit 801 for automatically feeding a recording sheet as a recording medium into the apparatus main body, and a recording sheet sent from the automatic feeding unit 801 are guided to a predetermined recording position, and from the recording position to the discharge port 802. And a conveyance unit 803 for guiding the recording paper. In addition, the recording unit includes a recording unit that performs recording on the recording sheet conveyed to the recording position, and a recovery unit 804 that performs recovery processing on the recording unit. The ink jet head according to this embodiment is disposed on a carriage 805 and used.

本実施例においては、プリンターとしての例を示したが、本実施形態は、Faxや複合機、複写機あるいは、産業用吐出装置に使用されても良い。   In the present embodiment, an example of a printer is shown, but the present embodiment may be used for a fax machine, a multifunction machine, a copier, or an industrial discharge apparatus.

[実施例1]
本実施形態の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
[Example 1]
Examples of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

図10は、本実施形態の圧電体素子を用いたインクジェットヘッドを作製する製造プロセスを示すための構成断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process for producing an ink jet head using the piezoelectric element of the present embodiment.

1001はSOI基板であり、Si(100)200μmの基板1002、0.3μmのSiO2層1003、3μmのSi(100)層1004の構成となっている(10−1)。 1001 is a SOI substrate has a structure of the Si (100) 200 [mu] m the SiO 2 layer 1003,3μm substrate 1002,0.3μm of Si (100) layer 1004 (10-1).

SOI基板1001上に、安定化ジルコニア(10%Y2O3-ZrO2:YSZ)をAr/O2雰囲気中、基板温度800℃で反応性スパッタ成膜を行い、バッファ層として0.1μmの(100)YSZエピタキシャル膜1005を成膜した。その後、さらにLaNiO3:LNOをAr/O2雰囲気中、基板温度500℃でスパッタ成膜を行い、0.1μmの(100)LNOエピタキシャル膜1006を成膜した。次に下電極として、SrRuO3:SROをAr/O2雰囲気中、基板温度600℃でスパッタ成膜を行い、0.2μmの(100)SROエピタキシャル膜1007を成膜した(10−2)。このとき同時に、厚み625μmのSi(100)基板上にも同様に、YSZ、LNO、SROを成膜した。 Reactive sputter deposition of stabilized zirconia (10% Y 2 O 3 —ZrO 2 : YSZ) on an SOI substrate 1001 in an Ar / O 2 atmosphere at a substrate temperature of 800 ° C. was performed, and a buffer layer of 0.1 μm was formed. A (100) YSZ epitaxial film 1005 was formed. After that, LaNiO 3 : LNO was sputter-deposited in an Ar / O 2 atmosphere at a substrate temperature of 500 ° C. to form a 0.1 μm (100) LNO epitaxial film 1006. Next, as a lower electrode, SrRuO 3 : SRO was formed by sputtering in an Ar / O 2 atmosphere at a substrate temperature of 600 ° C. to form a 0.2 μm (100) SRO epitaxial film 1007 (10-2). At the same time, YSZ, LNO, and SRO were similarly formed on a Si (100) substrate having a thickness of 625 μm.

次に、この基板上にMOCVD法により、圧電体1008として(Pb(Mn0.33,Nb0.67)O3)0.67−(PbTiO3)0.33(PMN-PT)を3μm成膜した(10−3)。成膜方法は以下に詳細に説明する。 Next, 3 μm of (Pb (Mn 0.33 , Nb 0.67 ) O 3 ) 0.67- (PbTiO 3 ) 0.33 (PMN-PT) was formed as a piezoelectric body 1008 on the substrate by MOCVD (10-3). The film forming method will be described in detail below.

まず、出発原料として、
Pb(thd)2 :ビス(ヘキサメチルアセチルアセトネート)鉛
Mg[6-C2H5-2,2-(CH3)2-C10H15O2]2 :ビス[6−エチル−2,2−ジメチル−3,5−デカンジオネート]マグネシウム
NbC3H7(C2H5)4 :プロピルテトラエチルニオブTi(C3H7O)4 :テトライソプロポキシチタン
を用意し、図11に示す構成のMOCVD装置を用いた圧電体成膜を行った。基本構成は図4に示したMOCVD装置と同一であり、各要件は次の通り。
First, as a starting material,
Pb (thd) 2 : bis (hexamethylacetylacetonate) lead
Mg [6-C 2 H 5 -2,2- (CH 3 ) 2 -C 10 H 15 O 2 ] 2 : bis [6-ethyl-2,2-dimethyl-3,5-decanedionate] magnesium
NbC 3 H 7 (C 2 H 5) 4: propyl tetraethyl niobium Ti (C 3 H 7 O) 4: prepared titanium tetraisopropoxide, carried piezoelectric film formation using the MOCVD apparatus shown in FIG. 11 It was. The basic configuration is the same as that of the MOCVD apparatus shown in FIG. 4, and each requirement is as follows.

各出発原料を加熱し、不活性キャリアガスとして用いた窒素N2ガスとの混合ガスをおのおの形成し、不活性キャリアガス・出発原料混合ガス供給路での各原料ガスのモル比を目的の膜組成に合わせ調整した。同時に酸素O2の供給量を15[cm3/min]、Pb原料、O2原料に関しては、成膜後の膜組成に対して過剰な供給量とした。 Each starting material is heated to form a mixed gas with nitrogen N 2 gas used as an inert carrier gas, and the molar ratio of each raw material gas in the inert carrier gas / starting material mixed gas supply path is determined as a target film. Adjusted to the composition. At the same time, the supply amount of oxygen O 2 was 15 [cm 3 / min], and the Pb raw material and the O 2 raw material were excessively supplied relative to the film composition after film formation.

本実施例においては、原料供給を間欠的に行うパルスMOCVD成膜法を用いた。   In this embodiment, a pulse MOCVD film forming method in which raw material supply is intermittently used is used.

パルスMOCVD法は、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスと酸素ガスとを混合したガスを成膜用基板にノズルから吹き付け成膜する時間t1と、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスの供給を止める時間t2を交互に設定することで、合成・成膜を行う。本実施例においては、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスと酸素ガスとを混合したガスを成膜用基板にノズルから吹き付け成膜する時間t1とt2について各々2つの水準t11、t12及びt21、t22を設定した。t11、t12及びt21、t22としたときの時間シーケンスを図12に示す。図12に示す時間シーケンスを採用し、合成・成膜を行った。 In the pulse MOCVD method, a time t 1 in which a gas obtained by mixing an inert carrier gas / starting material mixed gas and oxygen gas is sprayed from a nozzle onto a film forming substrate to form a film, and an inert carrier gas / starting material mixed gas is supplied. the stop by setting the time t 2 alternately conduct synthesis and deposition. In this embodiment, a gas obtained by mixing an inert carrier gas / starting raw material mixed gas and oxygen gas is sprayed from a nozzle onto a film-forming substrate from a nozzle, and two levels t 11 and t 2 are respectively provided for times t 1 and t 2. 12 and set a t 21, t 22. FIG. 12 shows a time sequence when t 11 , t 12 and t 21 , t 22 are set. The time sequence shown in FIG. 12 was employed to perform synthesis and film formation.

それぞれの時間はt11=10[sec]、t12=25[sec]、t21=15[sec]、t22=20[sec]、とした。 The respective times were t 11 = 10 [sec], t 12 = 25 [sec], t 21 = 15 [sec], and t 22 = 20 [sec].

原料供給をおこなっている時間t11、及びt12において、反応室圧力は、8.5[torr]であり、そのときの酸素分圧は6.0[torr]であった。 At times t 11 and t 12 during which the raw material was supplied, the reaction chamber pressure was 8.5 [torr], and the oxygen partial pressure at that time was 6.0 [torr].

成膜基板(SOI及びSi)を基板フォルダに配置し、成膜基板温度を650℃となるよう調整し、基板フォルダは、2.0rpmで回転させて、合成・成膜を行った。   The film formation substrate (SOI and Si) was placed in a substrate folder, the film formation substrate temperature was adjusted to 650 ° C., and the substrate folder was rotated at 2.0 rpm for synthesis and film formation.

成膜した圧電体1008(PMN−PT)の結晶構造解析を行ったところ、SOI基板上のPMN-PT、Si基板上のPMN−PTは共に、基板上にエピタキシャル成長した(100)単結晶であることが確認された。なお結晶構造解析は4軸を備える高解像度X線回折装置(XRD,PANalytical X'pert−MRD)を用いた。   When the crystal structure analysis of the formed piezoelectric body 1008 (PMN-PT) was performed, both the PMN-PT on the SOI substrate and the PMN-PT on the Si substrate were epitaxially grown on the substrate (100) single crystal. It was confirmed. The crystal structure analysis was performed using a high-resolution X-ray diffractometer (XRD, PANalytical X'pert-MRD) having four axes.

また、成膜した圧電体1008(PMN−PT)の組成分析を行ったところ、SOI基板上のPMN−PT、Si基板上のPMN−PTはともに、(Pb(Mn0.33,Nb0.67)O3)0.67-(PbTiO3)0.33であることが確認された。なお組成分析には、波長分散型蛍光X線分析装置(XRF、PANalytical PW2404)を用いた。 Further, when the composition analysis of the formed piezoelectric body 1008 (PMN-PT) was performed, the PMN-PT on the SOI substrate and the PMN-PT on the Si substrate were both (Pb (Mn 0.33 , Nb 0.67 ) O 3. ) 0.67- (PbTiO 3 ) 0.33 was confirmed. For the composition analysis, a wavelength dispersive X-ray fluorescence analyzer (XRF, PANalytical PW2404) was used.

次に、圧電体1008として成膜したPMN−PTを成膜したSOI基板を用いて、インクジェットヘッドを作製した。作製プロセスについて、以下に説明する。   Next, an inkjet head was manufactured using an SOI substrate on which PMN-PT formed as the piezoelectric body 1008 was formed. The manufacturing process will be described below.

SOI基板1001上に成膜されている圧電体1008の上に、インクジェットヘッドの各個別液室に対応する0.15mm×5mmにパターニングされた上電極1009として、Auを200nmの厚みでDCスパッタ法により成膜した(10−4)。   As an upper electrode 1009 patterned to 0.15 mm × 5 mm corresponding to each individual liquid chamber of the inkjet head on the piezoelectric body 1008 formed on the SOI substrate 1001, Au is formed by DC sputtering with a thickness of 200 nm. A film was formed (10-4).

次に、パターニングされた上電極1009をマスクとして、ドライエッチングプロセスにより、圧電体1008を除去した(10−5)。   Next, the piezoelectric body 1008 was removed by a dry etching process using the patterned upper electrode 1009 as a mask (10-5).

次に、ドライエッチングプロセスにより、SOI基板1001のSi基板1002部を2段階エッチングし個別液室1011、絞り部1012、共通液室1013を成型した(10−6)。   Next, the Si substrate 1002 portion of the SOI substrate 1001 was etched in two stages by a dry etching process to mold the individual liquid chamber 1011, the throttle portion 1012, and the common liquid chamber 1013 (10-6).

次に、30μmφの吐出口1014を持つノズルプレート1015を有機接着剤を用いてSOI基板1001と張り合わせ、インクジェットヘッドを作製した(10−7)。   Next, a nozzle plate 1015 having a discharge port 1014 of 30 μmφ was bonded to the SOI substrate 1001 using an organic adhesive to produce an ink jet head (10-7).

インクジェットヘッドの性能評価は、10kHz駆動時の吐出インク液量を計測し、吐出開始直後のインク吐出量と吐出耐久試験を1010回行った後のインク吐出量との変化量を評価した。吐出量の差が初期値に対して3%未満のものを◎、3%以上5%未満のものを○、5%以上のものを×とした。 The performance of the inkjet head was evaluated by measuring the amount of ink discharged at 10 kHz drive and the amount of change between the ink discharge immediately after the start of discharge and the ink discharge after 10 10 discharge endurance tests. When the difference in discharge amount is less than 3% with respect to the initial value, ◎, 3% or more and less than 5%, ◯, 5% or more as x.

結果を表1に記載する。   The results are listed in Table 1.

次に、合成・成膜した圧電体の圧電定数d33及びd31評価用サンプルの作製方法について、以下に説明する。 Next, a method for producing samples for evaluating the piezoelectric constants d 33 and d 31 of the synthesized and formed piezoelectric material will be described below.

インクジェットヘッド作製用SOI基板と同時に、PMN−PTを圧電体として成膜した、PMN−PT/SRO/LNO/YSZ/Si(100)基板に次の電極を成膜した。すなわち、PMN−PT上にd33測定用電極として、100μmΦのAu電極と、d31測定用電極として、12mm×3mmの矩形のAu電極を、100nmの厚みでDCスパッタ法により成膜した。このときd31測定用電極の12mm×3mmの矩形のAu電極は、その矩形の各辺がSi基板(100)の(100)面に対して垂直な(010)、面(001)面、(01バー0)面、(001バー)面と平行となるような配置とした。 The following electrodes were formed on a PMN-PT / SRO / LNO / YSZ / Si (100) substrate on which PMN-PT was formed as a piezoelectric body simultaneously with the SOI substrate for forming the inkjet head. That is, a 100 μmφ Au electrode as a d 33 measurement electrode and a 12 mm × 3 mm rectangular Au electrode as a d 31 measurement electrode were formed on the PMN-PT by DC sputtering with a thickness of 100 nm. At this time, the 12 mm × 3 mm rectangular Au electrode of the d 31 measuring electrode has (010), (001) plane, (010) plane (each side of the rectangle is perpendicular to the (100) plane of the Si substrate (100)). The arrangement was parallel to the (01 bar 0) plane and the (001 bar) plane.

図13に、d31測定用サンプルを示す。(13−1)に切断加工後の層構成の側面図を示し、(13−2)は上面図を示す。このように、d31測定用サンプルとして、図13に示す形状にd31測定用サンプルを、ダイサーによる切断加工により行った。図13において(13−1)は切断加工後d31測定サンプルの層構成を示す側面図であり、(13−2)は、サンプルの形状を示す上面図である。 FIG. 13 shows a d 31 measurement sample. (13-1) shows a side view of the layer structure after cutting, and (13-2) shows a top view. As described above, the d 31 measurement sample having the shape shown in FIG. 13 was cut by a dicer as the d 31 measurement sample. In FIG. 13, (13-1) is a side view showing the layer structure of the d 31 measurement sample after cutting, and (13-2) is a top view showing the shape of the sample.

圧電定数d33の決定方法を、以下に詳細に示す。 A method for determining the piezoelectric constant d 33 will be described in detail below.

[d33測定法]
33決定は、薄膜圧電体の電界誘起歪を測定する一般的な方法である走査型プローブ顕微鏡(SPM=Scanning Probe Microscope)と強誘電体テスタとを組み合わせ使用することで行った。走査型プローブ顕微鏡はSPI−3800(セイコーインスツルメンツ社製商品名)、強誘電体テスタはFCE-1(東陽テクニカ社製商品名)を使用した。
[d 33 measurement method]
d 33 determinations were made by using a combination of a general method in which scanning probe microscope (SPM = Scanning Probe Microscope) a ferroelectric tester to measure the electric-field-induced strain of the thin-film piezoelectric member. The scanning probe microscope was SPI-3800 (trade name, manufactured by Seiko Instruments Inc.), and the ferroelectric tester was FCE-1 (trade name, manufactured by Toyo Technica).

走査型プローブ顕微鏡と強誘電体テスタとを組み合わせたd33測定装置の概略図を図14に示す。 FIG. 14 shows a schematic diagram of a d 33 measuring apparatus in which a scanning probe microscope and a ferroelectric tester are combined.

図14において、SPMは、試料台1401、試料台高さ調整アクチュエータ1402、カンチレバー1403、カンチレバー変位ディテクタ1404、制御装置1405から構成されている。カンチレバー1403をX軸、Y軸方向(サンプル平面方向)に走査(スキャニング)し、そのときのカンチレバー1403のZ軸方向(高さ方向)の動きをカンチレバー変位ディテクタ1404により検知する。そうすることで、例えばサンプル表面の微細な凹凸を知ることが可能な構成となっている。また、カンチレバー変位ディテクタ1404により検知されたカンチレバー1403のZ軸方向の動きから、制御装置1405によってフィードバックZ軸制御信号が決定される。その、カンチレバー1403のZ軸方向の位置を一定にするフィードバックZ軸制御信号を端子1405−bから、信号試料台高さ調整アクチュエータ1402へ送りカンチレバー1403のZ軸方向の位置を一定にできる構成となっている。   In FIG. 14, the SPM includes a sample stage 1401, a sample stage height adjustment actuator 1402, a cantilever 1403, a cantilever displacement detector 1404, and a control device 1405. The cantilever 1403 is scanned (scanned) in the X-axis and Y-axis directions (sample plane direction), and the movement of the cantilever 1403 in the Z-axis direction (height direction) at that time is detected by the cantilever displacement detector 1404. By doing so, for example, it is possible to know minute irregularities on the sample surface. Further, a feedback Z-axis control signal is determined by the control unit 1405 from the movement of the cantilever 1403 in the Z-axis direction detected by the cantilever displacement detector 1404. A configuration in which the feedback Z-axis control signal that makes the position of the cantilever 1403 in the Z-axis direction constant can be sent from the terminal 1405-b to the signal sample stage height adjustment actuator 1402 and the position of the cantilever 1403 in the Z-axis direction can be made constant. It has become.

強誘電体テスタ1406は、サンプルに端子1406−aと端子1406−bとの間に電圧を印加しそのときの電流量・電荷量をモニタできる構成となっている。またSPMのフィードバックZ軸制御信号を、端子1406−cに取り込む構成となっている。   The ferroelectric tester 1406 is configured to apply a voltage to the sample between the terminals 1406-a and 1406-b and monitor the amount of current and the amount of charge at that time. Further, the feedback Z-axis control signal of the SPM is taken into the terminal 1406-c.

SPM試料台1401は、電気的にフロートの状態にあり、強誘電体テスタ1406の電圧印加端子の電圧を供給する側端子1406-aに繋がっており、d33測定サンプル1411の下電極と繋がっている。もう一方のGnd側端子1406-bは導電処理をされたSPMカンチレバー1403に繋がれ、d33測定サンプル1411の上電極と接触し、d33測定サンプル1411に、電圧を加えることができる。 The SPM sample stage 1401 is in an electrically floating state, is connected to the side terminal 1406-a that supplies the voltage of the voltage application terminal of the ferroelectric tester 1406, and is connected to the lower electrode of the d 33 measurement sample 1411. Yes. The other Gnd terminal 1406-b is connected to the SPM cantilever 1403 to conductive treatment, contact the upper electrode of the d 33 measurement sample 1411, the d 33 measurement sample 1411, may be added voltage.

33測定においては、測定時カンチレバー1403は、X軸、Y軸方向の走査(スキャニング)は行わず、X軸、Y軸方向に静止した状態で測定を行う。 In d 33 measurement, the measurement time of the cantilever 1403, X-axis, Y-axis direction of the scan (scanning) is not performed, X-axis, the measurement is carried out in the stationary state in the Y-axis direction.

この入力電圧に対する変位を測定することで、圧電体のd33を決定することができる。 By measuring the displacement with respect to the input voltage, d 33 of the piezoelectric body can be determined.

本実施例のd33決定においては、サンプルへの入力信号電圧として、圧電体に0〜150[kV/cm]の電界(圧電体膜厚3μmに対して0〜45Vの電圧を印加)が加わるよう10Hzの三角波を与えた。その極性については同一電界において、変位が最大となる極性を選んだ。 In the determination of d 33 in this embodiment, an electric field of 0 to 150 [kV / cm] (a voltage of 0 to 45 V is applied to a piezoelectric film thickness of 3 μm) is applied to the piezoelectric body as an input signal voltage to the sample. I gave a triangular wave of 10Hz. For the polarity, the polarity that maximizes the displacement in the same electric field was selected.

その入力信号電圧に対してサンプルは伸縮・変位をする。それをSPMがZ軸方向の変化として読み取った。   The sample expands and contracts with respect to the input signal voltage. SPM read it as a change in the Z-axis direction.

以上の手段を用いて、測定・決定したd33を表1に示す。 Using the above means show the d 33 was measured and determined in Table 1.

次に圧電定数d31決定方法を、以下に詳細に示す。 Next, a method for determining the piezoelectric constant d 31 will be described in detail below.

[d31測定法]
31決定は、ユニモルフ型カンチレバー方式を用いて行った。
[d 31 measurement method]
The d 31 determination was performed using a unimorph type cantilever method.

図15はd31測定を説明するための図であり、(15−1)はユニモルフ型カンチレバーの変位測定装置の概略図であり、(15−2)は基本的なサンプルの層構成を示す概略図である。 FIG. 15 is a diagram for explaining the d 31 measurement, (15-1) is a schematic diagram of a unimorph type cantilever displacement measuring device, and (15-2) is a schematic diagram showing a basic sample layer structure. FIG.

基板1501-a上に下電極1501-b、圧電体1501-c、上電極1501-dの順で構成された圧電体素子1501は、クランプ冶具1502により片側が固定されたユニモルフ型カンチレバーの構成となっている。クランプ冶具1502の上側部分1502-aは、導電性材料で構成されており、圧電体素子1501の下電極1501-bと電気的に接触されており、交流電源1503の出力端子の一方(不図示)に電気ケーブル1504-aに繋がっている。交流電源1503の出力端子のもう一方(不図示)は電気ケーブル1504-bを通じ圧電体素子1501の上電極1501-dに繋がっており、圧電体素子1501の圧電体1501-cに交流電圧を印加できる構成となっている。   A piezoelectric element 1501 composed of a lower electrode 1501-b, a piezoelectric body 1501-c and an upper electrode 1501-d on a substrate 1501-a in this order has a configuration of a unimorph type cantilever in which one side is fixed by a clamp jig 1502. It has become. The upper part 1502-a of the clamp jig 1502 is made of a conductive material, is in electrical contact with the lower electrode 1501-b of the piezoelectric element 1501, and is one of output terminals (not shown) of the AC power supply 1503. ) Is connected to the electric cable 1504-a. The other output terminal (not shown) of the AC power supply 1503 is connected to the upper electrode 1501-d of the piezoelectric element 1501 through the electric cable 1504-b, and an AC voltage is applied to the piezoelectric body 1501-c of the piezoelectric element 1501. It can be configured.

交流電源1503によって供給された電界によって、圧電体1501−cは伸縮する。それに伴って、基板1501−aが歪み、圧電体素子1501はクランプ冶具1502によって固定された端の部分を支点として上下振動する。このとき圧電体素子1501のクランプされていない端部の振動をレーザドップラー速度計(LDV)1505でモニタし、入力電界に対するユニモルフ型カンチレバーの変位量を計測できる構成となっている。   The piezoelectric body 1501-c expands and contracts due to the electric field supplied by the AC power supply 1503. Along with this, the substrate 1501-a is distorted, and the piezoelectric element 1501 vibrates up and down with the end portion fixed by the clamp jig 1502 as a fulcrum. At this time, the vibration of the unclamped end of the piezoelectric element 1501 is monitored by a laser Doppler velocimeter (LDV) 1505 so that the displacement amount of the unimorph type cantilever with respect to the input electric field can be measured.

このときの、入力電圧Vに対するユニモルフ型カンチレバーの変位量には、近似的に式1の関係にある(非特許文献2参照)。   At this time, the displacement amount of the unimorph type cantilever with respect to the input voltage V is approximately in the relationship of Formula 1 (see Non-Patent Document 2).

式1中には、下電極層、上電極層、その他バッファ層などの物性値項が入っていないが、それらの厚さが、基板厚さhsに対して、充分薄いとき、それらの層の物性値・膜厚は無視でき、式1は実用上充分な近似式となっている。 Formula 1 does not include physical property value terms such as the lower electrode layer, the upper electrode layer, and other buffer layers. However, when the thickness is sufficiently small with respect to the substrate thickness h s , these layers are not included. The physical property values and film thicknesses of these are negligible, and Equation 1 is an approximate equation sufficient for practical use.

この式1から、ユニモルフ型カンチレバーの入力電界に対する変位量を測定することで圧電体のd31を決定することができる。 From Equation 1, d 31 of the piezoelectric body can be determined by measuring the amount of displacement of the unimorph type cantilever with respect to the input electric field.

Figure 2007088442
Figure 2007088442

本実施例のd31決定においては、サンプルへの入力信号電圧として、圧電体に0〜150[kV/cm]の電界(圧電体膜厚3μmに対して0〜45Vの電圧を印加)が加わるよう500Hzのsin波を与えた。その極性については同一電界において、変位が最大となる極性を選び、それはd33決定時の極性と一致した。入力信号電圧としてsin波を採用した理由は、カンチレバーの質量が大きいので、カンチレバー先端の変位δが、振動運動の慣性項を排除することを目的としている。 In the determination of d 31 in this embodiment, an electric field of 0 to 150 [kV / cm] (a voltage of 0 to 45 V is applied to a piezoelectric film thickness of 3 μm) is applied to the piezoelectric body as an input signal voltage to the sample. Like gave a 500Hz sin wave. In the same field for that polarity, displacement select the polarity as the maximum which is consistent with the polarity at the time of d 33 determined. The reason for adopting the sin wave as the input signal voltage is that the displacement of the cantilever tip δ eliminates the inertial term of the oscillating motion because the mass of the cantilever is large.

その入力信号電圧に対して、カンチレバー先端の変位量δを測定することで、d31を決定した。 D 31 was determined by measuring the displacement δ at the tip of the cantilever with respect to the input signal voltage.

式1中に使用した物性値は
11 S=7.7×10-12[m2/N]
11 P=70.2×10-12[m2/N]
とした。なおS11 Pに関しては、非特許文献3記載の値を用いている。
The physical properties used in Equation 1 are S 11 S = 7.7 × 10 −12 [m 2 / N]
S 11 P = 70.2 × 10 −12 [m 2 / N]
It was. For S 11 P , the value described in Non-Patent Document 3 is used.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

[実施例2]
圧電体として、(Pb(Mn0.33,Nb0.67)O3)0.70−(PbTiO3)0.30となる組成の圧電体を2.8μm厚で成膜した。その他は、実施例1と同様にして、インクジェットヘッドおよび圧電定数d33・d31決定用サンプルを作成し、その性能評価および圧電定数を決定した。結果を表1に示す。
[Example 2]
As the piezoelectric body, a piezoelectric body having a composition of (Pb (Mn 0.33 , Nb 0.67 ) O 3 ) 0.70 − (PbTiO 3 ) 0.30 was formed to a thickness of 2.8 μm. Others were made in the same manner as in Example 1, an ink jet head and a sample for determining piezoelectric constants d 33 and d 31 were prepared, and the performance evaluation and piezoelectric constant were determined. The results are shown in Table 1.

式1中に使用した物性値は
11 S=7.7×10-12[m2/N]
11 P=51.2×10-12[m2/N]
とした。なおS11 Pに関しては、非特許文献3記載の値を用いている。
The physical properties used in Equation 1 are S 11 S = 7.7 × 10 −12 [m 2 / N]
S 11 P = 51.2 × 10 -12 [m 2 / N]
It was. For S 11 P , the value described in Non-Patent Document 3 is used.

[実施例3]
実施例1記載と同様のSOI及びSi基板上に、YSZ(10%Y2O3-ZrO2:YSZ)酸化物ターゲットを用い、Ar/O2雰囲気中基板温度800℃でスパッタ成膜を行い、バッファ層として0.1μmのYSZ(100)1軸配向膜を成膜した。次に下電極としてSROをAr/O2雰囲気中、基板温度600℃でスパッタ成膜を行い0.2μmのSRO(100)1軸配向膜を成膜した。
[Example 3]
Using a YSZ (10% Y 2 O 3 —ZrO 2 : YSZ) oxide target on the same SOI and Si substrate as described in Example 1, sputtering film formation was performed at an substrate temperature of 800 ° C. in an Ar / O 2 atmosphere. Then, a 0.1 μm YSZ (100) uniaxial alignment film was formed as a buffer layer. Next, SRO was deposited as a lower electrode in an Ar / O 2 atmosphere at a substrate temperature of 600 ° C. to form a 0.2 μm SRO (100) uniaxially oriented film.

次に、圧電体として(Pb(Mn0.33,Nb0.67)O3)0.67−(PbTiO3)0.33(PMN-PT)を3.0μm成膜した。 Next, a film of (Pb (Mn 0.33 , Nb 0.67 ) O 3 ) 0.67- (PbTiO 3 ) 0.33 (PMN-PT) was formed to a thickness of 3.0 μm as a piezoelectric body.

このとき、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスと酸素ガスとを混合したガスを成膜用基板にノズルから吹き付け成膜する時間t11及びt12と、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスの供給を止める時間t21及びt22を、以下のように設定した。
11=10[sec]、t12=25[sec]、t21=10[sec]、t22=25[sec]。
At this time, a gas t which is a mixture of an inert carrier gas / starting raw material mixed gas and oxygen gas is sprayed from a nozzle onto a film forming substrate from the nozzles at times t 11 and t 12, and the inert carrier gas / starting raw material mixed gas Times t 21 and t 22 for stopping the supply were set as follows.
t 11 = 10 [sec], t 12 = 25 [sec], t 21 = 10 [sec], t 22 = 25 [sec].

成膜された圧電体PMN-PTの結晶構造解析を行ったところ、SOI基板上のPMN-PT、Si基板上のPMN-PTは共に、(100)1軸配向膜であることが確認された。   When the crystal structure analysis of the deposited piezoelectric material PMN-PT was performed, it was confirmed that both PMN-PT on the SOI substrate and PMN-PT on the Si substrate are (100) uniaxially oriented films. .

以上のこと以外は、実施例1と同様にして、インクジェットヘッドおよび圧電定数d33・d31決定用サンプルを作成し、その性能評価および圧電定数を決定した。結果を表1に示す。 Except for the above, an ink jet head and a sample for determining the piezoelectric constants d 33 and d 31 were prepared in the same manner as in Example 1, and the performance evaluation and the piezoelectric constant were determined. The results are shown in Table 1.

式1中に使用した物性値は
11 S=7.7×10-12[m2/N]
11 P=70.2×10-12[m2/N]
とした。なおS11 Pに関しては、非特許文献3記載の値を用いている。
The physical properties used in Equation 1 are S 11 S = 7.7 × 10 −12 [m 2 / N]
S 11 P = 70.2 × 10 −12 [m 2 / N]
It was. For S 11 P , the value described in Non-Patent Document 3 is used.

[実施例4]
実施例3と同様の成膜用基板(SRO/YSZ/SOI及びSRO/YSZ/Si)を用意した。
[Example 4]
The same film-forming substrate (SRO / YSZ / SOI and SRO / YSZ / Si) as in Example 3 was prepared.

圧電体を成膜するMOCVD成膜法において、出発原料として
Pb(thd)2
Zr(O−t−C494
Ti(O−i−C374
を用意し、Pb(Zr0.5,Ti0.5)O3(PZT)を3.2μm成膜した。
In the MOCVD film forming method for forming a piezoelectric body, Pb (thd) 2 is used as a starting material.
Zr (Ot-C 4 H 9 ) 4
Ti (O-i-C 3 H 7 ) 4
And Pb (Zr 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (PZT) was formed to a thickness of 3.2 μm.

このとき、このとき、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスと酸素ガスとを混合したガスを成膜用基板にノズルから吹き付け成膜する時間t11及びt12と、不活性キャリアガス・出発原料混合ガスの供給を止める時間t21及びt22を、以下のように設定した。
11=10[sec]、t12=25[sec]、t21=15[sec]、t22=20[sec]。
At this time, this time, and the time t 11 and t 12 for forming blown from the nozzle gas that is a mixture of inert carrier gas starting material mixed gas and the oxygen gas to the deposition substrate, inactive carrier gas and starting materials Times t 21 and t 22 for stopping the supply of the mixed gas were set as follows.
t 11 = 10 [sec], t 12 = 25 [sec], t 21 = 15 [sec], t 22 = 20 [sec].

成膜された圧電体PZTの結晶構造解析を行ったところ、SOI基板上のPZT、Si基板上のPZTは共に、(100)1軸配向膜であることが確認された。   When the crystal structure analysis of the formed piezoelectric material PZT was performed, it was confirmed that both PZT on the SOI substrate and PZT on the Si substrate were (100) uniaxially oriented films.

以上のこと以外は、実施例1と同様にして、インクジェットヘッドおよび圧電定数d33・d31決定用サンプルを作成し、その性能評価および圧電定数を決定した。結果を表1に示す。 Except for the above, an ink jet head and a sample for determining the piezoelectric constants d 33 and d 31 were prepared in the same manner as in Example 1, and the performance evaluation and the piezoelectric constant were determined. The results are shown in Table 1.

式1中に使用した物性値は
11 S=7.7×10-12[m2/N]
11 P=12.4×10-12[m2/N]
とした。なおS11 Pに関しては、非特許文献1記載の値を用いている。
The physical properties used in Equation 1 are S 11 S = 7.7 × 10 −12 [m 2 / N]
S 11 P = 12.4 × 10 −12 [m 2 / N]
It was. For S 11 P , the value described in Non-Patent Document 1 is used.

[比較例1]
成膜用基板として、実施例1記載のSOI基板、Si基板上に、DCスパッタにより、Ti、Ptを成膜し、Pt(150nm)/Ti(5nm)/SOI及びPt(150nm)/Ti(5nm)/Siを用意した。
[Comparative Example 1]
As a film formation substrate, Ti and Pt were formed by DC sputtering on the SOI substrate and Si substrate described in Example 1, and Pt (150 nm) / Ti (5 nm) / SOI and Pt (150 nm) / Ti ( 5 nm) / Si was prepared.

圧電体の成膜は、金属酸化物セラミックスターゲットPb1.1(Zr0.5,Ti0.5)O3を用意して行った。具体的には、Ar/O2雰囲気中、基板温度30℃で成膜後、700℃で2時間焼成処理を行いPb(Zr0.5,Ti0.5)O3(PZT)の多結晶膜を3.0μm成膜した。 The piezoelectric film was formed by preparing a metal oxide ceramic target Pb 1.1 (Zr 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 . Specifically, after forming a film in an Ar / O 2 atmosphere at a substrate temperature of 30 ° C., a baking process is performed at 700 ° C. for 2 hours to form a Pb (Zr 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (PZT) polycrystalline film. A 0 μm film was formed.

成膜された圧電体PZTの結晶構造解析を行ったところ、SOI基板上のPZT、Si基板上のPZTは共に、無配向多結晶膜であることが確認された。   When the crystal structure analysis of the formed piezoelectric material PZT was performed, it was confirmed that both PZT on the SOI substrate and PZT on the Si substrate were non-oriented polycrystalline films.

以上のこと以外は、実施例1と同様にして、インクジェットヘッドおよび圧電定数d33・d31決定用サンプルを作成し、その性能評価および圧電定数を決定した。結果を表1に示す。 Except for the above, an ink jet head and a sample for determining the piezoelectric constants d 33 and d 31 were prepared in the same manner as in Example 1, and the performance evaluation and the piezoelectric constant were determined. The results are shown in Table 1.

式1中に使用した物性値は
11 S=7.7×10-12[m2/N]
11 P=12.4×10-12[m2/N]
とした。なおS11 Pに関しては、非特許文献1記載の値を用いている。
The physical properties used in Equation 1 are S 11 S = 7.7 × 10 −12 [m 2 / N]
S 11 P = 12.4 × 10 −12 [m 2 / N]
It was. For S 11 P , the value described in Non-Patent Document 1 is used.

Figure 2007088442
Figure 2007088442

上述した、本実施形態の実施例及び比較例において作成した圧電体素子に係わる圧電体の|d31|とd33との関係をプロットしたグラフを図16に示す。また併せて図16に本実施形態の圧電体素子に係わる圧電体の|d31|とd33との関係を示した領域、及び、従来例となる|d31|とd33との関係を示した領域を付記した。 FIG. 16 is a graph plotting the relationship between | d 31 | and d 33 of the piezoelectric body relating to the piezoelectric element prepared in the above-described example and comparative example of the present embodiment. The same time the piezoelectric body according to the piezoelectric element of this embodiment in FIG. 16 | d 31 | a region showing the relationship between d 33, and the conventional example to become | the relationship between the d 33 | d 31 The indicated area is added.

圧電体の横振動モードを利用した圧電アクチュエータの基本構成。(A−1)ユニモルフ型カンチレバーの側面図。(A−2)A−1の上視図。(B−1)ユニモルフ型アクチュエータの側面図。(B−2)B−1上視図。Basic configuration of a piezoelectric actuator using the transverse vibration mode of a piezoelectric body. (A-1) Side view of a unimorph type cantilever. (A-2) Top view of A-1. (B-1) Side view of a unimorph actuator. (B-2) B-1 top view. 非特許文献1の、PZTの各組成毎のd33、d31のグラフ。Non-Patent Document 1, the graph of d 33, d 31 for each composition PZT. X線回折で{110}非対称面の極点測定をした際のパターンを示す図。(A)は、<100>PZTペロブスカイト型構造の1軸配向結晶の場合。(B)は、PZTペロブスカイト型構造の<100>単結晶の場合。The figure which shows the pattern at the time of measuring the extreme point of a {110} asymmetric surface by X-ray diffraction. (A) shows a case of a uniaxially oriented crystal having a <100> PZT perovskite structure. (B) shows a case of <100> single crystal having a PZT perovskite structure. MOCVD装置の構造・機構を示す装置概略図である。It is an apparatus schematic showing the structure and mechanism of an MOCVD apparatus. 本実施形態の圧電体素子を適用したインクジェットヘッドの概略図である。It is the schematic of the inkjet head to which the piezoelectric element of this embodiment is applied. 図5の圧電体を含む部分の幅方向での断面図である。It is sectional drawing in the width direction of the part containing the piezoelectric material of FIG. インクジェットヘッドの1ユニットの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1 unit of an inkjet head. 本実施形態のインクジェット記録装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an ink jet recording apparatus according to an embodiment. 図8のインクジェット記録装置の外装をはずした動作機構部概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram of an operation mechanism unit with the exterior of the ink jet recording apparatus of FIG. 8 removed. 本実施形態のインクジェットヘッドの製造プロセスを示すための構成断面図である。It is a structure sectional view for showing a manufacturing process of an ink jet head of this embodiment. 実施例1で圧電体を成膜する際に使用したMOCVD装置の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of an MOCVD apparatus used in forming a piezoelectric body in Example 1. FIG. 実施例1のパルスMOCVD法における時間シーケンスを示す図。FIG. 3 is a diagram showing a time sequence in the pulse MOCVD method of the first embodiment. 31測定用サンプルを示す。(13−1)は切断加工後の層構成を示す側面図である。(13−2)形状を示す上面図である。d 31 Measurement sample is shown. (13-1) is a side view showing the layer structure after cutting. (13-2) It is a top view which shows a shape. 33測定装置の概略図である。It is a schematic diagram of a d 33 measurement device. 31測定を説明するための図である。(15−1)はユニモルフ型カンチレバーの変位測定装置の概略図。(15−2)は基本的なサンプルの層構成を示す概略図。It is a figure for demonstrating d31 measurement. (15-1) is a schematic view of a unimorph type cantilever displacement measuring apparatus. (15-2) is a schematic diagram showing a basic sample layer structure. 本実施形態の圧電体素子に係わる圧電体の|d31|とd33との関係を示すグラフである。The piezoelectric body according to the piezoelectric element of this embodiment | is a graph showing the relationship between the d 33 | d 31.

符号の説明Explanation of symbols

1001 SOI基板
1002 Si基板
1003 SiO2
1004 Si(100)層
1005 (100)YSZエピタキシャル膜
1006 (100)LNOエピタキシャル膜
1007 (100)SROエピタキシャル膜
1008 圧電体
1009 上電極
1011 個別液室
1012 絞り部
1013 共通液室
1014 吐出口
1015 ノズルプレート
1001 SOI substrate 1002 Si substrate 1003 SiO 2 layer 1004 Si (100) layer 1005 (100) YSZ epitaxial film 1006 (100) LNO epitaxial film 1007 (100) SRO epitaxial film 1008 Piezoelectric body 1009 Upper electrode 1011 Individual liquid chamber 1012 Restriction part 1013 Common liquid chamber 1014 Discharge port 1015 Nozzle plate

Claims (8)

圧電体と、該圧電体に接する一対の電極とを有する圧電体素子において、前記圧電体の圧電定数d33及びd31について、下記関係式(I);
0.1≦|d33/d31|≦1.8 (I)
を満たすことを特徴とする圧電体素子。
In a piezoelectric element having a piezoelectric body and a pair of electrodes in contact with the piezoelectric body, the piezoelectric constants d 33 and d 31 of the piezoelectric body are expressed by the following relational expression (I):
0.1 ≦ | d 33 / d 31 | ≦ 1.8 (I)
The piezoelectric element characterized by satisfy | filling.
前記圧電体の膜厚が、1μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein a film thickness of the piezoelectric body is not less than 1 μm and not more than 10 μm. 前記圧電体が、PZT系もしくはリラクサ系の圧電体材料で形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電体素子。   3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body is made of a PZT-based or relaxer-based piezoelectric material. 前記圧電体が、<100>1軸配向結晶または単結晶であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電体素子。   4. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body is a <100> uniaxially oriented crystal or a single crystal. 前記電極の一方にさらに振動板が設けられ、前記振動板の表面に酸化物層を有し、前記振動板が設けられた電極が少なくとも導電性酸化物層を含むことを特徴とする請求項4に記載の圧電体素子。   5. A diaphragm is further provided on one of the electrodes, an oxide layer is provided on a surface of the diaphragm, and the electrode on which the diaphragm is provided includes at least a conductive oxide layer. The piezoelectric element as described in 2. 前記振動板が設けられた電極が2層以上の導電性酸化物層を有することを特徴とする請求項5に記載の圧電体素子。   6. The piezoelectric element according to claim 5, wherein the electrode provided with the diaphragm has two or more conductive oxide layers. 請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電体素子を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。   A liquid discharge head comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項7に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
A liquid discharge apparatus comprising the liquid discharge head according to claim 7.
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